EP0828145A1 - Infrared detector and process for manufacturing it - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a detector infrared and the manufacturing process thereof. It relates to the field of detectors infrared radiation, and more specifically to resistive microbolometers operating at temperature ambient.
- Optical radiation detectors are based on various modes of interaction radiation / matter, for example so-called detectors quantum, photoconductive, photovoltaic, directly convert the energy of radiation into free electric carriers. These carriers are collected by adequate means, such as natural polarization or a polarization applied to detector, and constitute the source of the signal electric, function of the illumination received by the detector. Other detectors called bolometers, particularly suitable for infrared radiation, convert energy into heating. The signal product is the image of the detector temperature.
- the thermal signal / electrical signal conversion is the result of an electrical property, conductivity, dielectric or other susceptibility of a material or assembly of bolometer materials, variable with the temperature.
- the performance of a quantum detector are proportional to the number of carriers collected for a given light.
- the performance of a bolometer are proportional to the temperature rise ⁇ T under the effect of a given illumination, modulated by the rate relative variation of the electrical quantity measured G with temperature, ie ⁇ T.dG / G.dT.
- a resistive bolometer of resistance R we are interested in the quantity dR / R.dT, otherwise noted TCR.
- Unit detectors have lateral dimensions (in the image plane) minimum of a few wavelengths, or a few tens of micrometers for devices suitable for the band 8 to 12 ⁇ m. Such devices are then called "microbolometers".
- a detector of this type is capable of operating at room temperature, provided that we know how to discriminate overheating due to incident radiation (signal) from various sources ambient noise (thermal, electrical, etc.). This function is the responsibility of the associated circuits and their implementation. Their ultimate performances depend on a few "technological" parameters, which are explained in the description.
- Observation of radiation scenes infrared based on microbolometry is practiced advantageously using matrices (or retinas) of NxM unit bolometric points (pixels), associated individually to circuits that generate the operating stimuli and process the signal resulting electric.
- These circuits are advantageously installed directly, in “monolithic” assembly or “hybrid”, below the matrix plane of microbolometers. They are called thereafter “circuit such a matrix is mounted behind a adequate optics which focus the infrared image of the scene observed. The resulting "thermal image” is converted into electrically manipulated signals by the associated circuits.
- the power of infrared radiation actually used per unit area to raise the temperature of a unitary bolometer is equal to Pi.Ar.Fr: Pi being the incident power on the total area of a pixel, Ar the relative absorption in the useful area of the pixel, Fr the factor of filling (useful surface / total surface).
- the temperature T of the useful part (variable in temperature) observable at equilibrium, i.e. at after a sufficiently long time under illumination constant, is equal to Rth.Pi.Ar.Fr; Rth being the overall thermal resistance between the sensitive area (useful) of the bolometer and its environment.
- the loss thermals for vacuum-mounted devices are largely dominated by conduction along the mechanical parts that connect the detector to its support (reading circuit).
- the charge integrable deserves to be as high as possible, like the bias voltage. This last parameter is generally limited by the increase in various noise factors, especially in the bolometer itself, when the field in the structure increases. The device withstand voltage without excessive noise is therefore an essential quality.
- FIG 1 shows the concept developed in the first reference, figure 2 the one developed in the second.
- a unitary microbolometer can be subdivided into three main parts: the heart of the device, whose temperature varies with illumination (zone I in Figures 1 and 2). This heart is suspended using supports (zone II). Finally, zones III maintain the whole.
- the layout and detail conformation of the different parts I, II and III represented under linear form to simplify the description can particular be adapted to a matrixing according to two dimensions, in order to achieve, with good compactness, photosensitive retinas for imaging.
- the "suspended" character arises from the need for a thermal insulation, represented by the quantity Rth, very high between the microbolometer and its environment.
- the reading circuit 12 is advantageously arranged below the bolometer, especially in the case of structures matrix of NxM points. Its role is on the one hand to supply the polarization stimuli to the microbolometer (application of a voltage or current between two electrodes 13, 13 '), on the other hand to measure the variations in characteristics induced by the heating of the bolometer under the effect of infrared illumination.
- the entire system is mounted under vacuum, or under low pressure, to avoid convective heat losses, in a housing waterproof with an optical window on the front and electrical connections to electronics peripheral.
- the area I must also have a thermal capacity Cth as low as possible, which is achieved by limiting the number of layers stacked in this area at the essential, their thickness at least functional, and if possible choosing materials with low specific heat capacity Cp.
- Zone II must have a maximum thermal resistance Rth, a negligible electrical resistance compared to that of zone I, and a low thermal capacity (in the since it constitutes a "heat sink" for the zone I that we want to see varying in temperature).
- the zones III must provide electrical continuity between zones II and substrate 12, i.e. a negligible electrical resistance and resistance sufficient mechanical to hold in position the floating assembly I + II.
- Zone I essentially comprises element 10 sensitive to temperature. She understands typically two conductive electrodes 13 and 13 'in contact with a "bolometric" material, the resistance or other electrical characteristic varies with temperature.
- Electrodes can be parallel to the substrate plane, above and below the material bolometric which is sandwiched. This configuration is illustrated in Figure 1.
- the current resulting from stimuli imposed by the reading circuit crosses the structure perpendicular to the plane of the device. In that case these electrodes are "full", that is to say occupy the all or most of the surface of the zone I.
- the bolometric material can be silicon lightly doped n or p amorphous, or any material of which conductance, or dielectric susceptibility, or polarization (since the configuration is clearly that of a capacitor) varies with the temperature, for example near the temperature ambient.
- the overall layer resistance to optimize coupling optical is obtained by adjusting that of the two electrodes 13 and 13 'in the vicinity of 750 ⁇ / square, since we have two conductors in parallel to the optical sense.
- the electrodes 13 and 13 ' are coplanar and constitute simple lateral contacts, located on the along two opposite edges of zone I and do not occupy typically only a small part of this area.
- the current in the structure then flows in parallel in terms of the device.
- This second configuration is better suited to the use of amorphous silicon lightly doped n or p as bolometric material because the electrodes are, by construction, much more distant.
- optical coupling Ar
- This coupling optics is then obtained by adding a layer conductor 16 specific 377 ⁇ / square, insulated electrically from the body of zone I by a layer dielectric 15.
- the subject of the invention is a bolometer-type infrared detector resistive to coplanar conductive elements which ensure the function of electrodes and the absorption of radiation while retaining the linearity of the current / voltage relationship and low noise level even at high voltage.
- this invention allows the implementation more efficient bolometric materials (more resistive) following a technological assembly simpler.
- the conductive elements have two electrodes interdigitated simultaneously performing the functions electrodes and absorbers, these electrodes being connected to the reading circuit.
- the conductive elements have two electrodes of a first type connected to the reading circuit and at least a second type electrode brought to a potential floating, the electrode of the second type ensuring only the absorber function and the electrodes of the first type simultaneously performing the functions electrodes and absorber.
- At least two elements conductors provide the electrical connection to the reading circuit.
- said face of the layer of sensitive material is the underside, the conductive elements being arranged under said layer.
- said face of the layer of sensitive material is the upper face, the conductive elements being arranged on said layer.
- the elements conductors are located between two layers of material sensitive, i.e. in contact with the face top of a first layer and the underside a second layer of sensitive material.
- the material sensitive to temperature is doped amorphous silicon.
- He can be also a vanadium oxide.
- the free space defined between the conductive elements consists only of temperature sensitive material.
- a reflector is provided in surface of the substrate supporting the reading circuit, and located at ⁇ / 4 below the plane of the sensitive element, ⁇ being the wavelength of the radiation R for which the bolometer will preferably be sensitive.
- the pattern of the elements conductors is repeated in steps typically between ⁇ and ⁇ / 2 to obtain a average absorption greater than 90%; for example for detection in the 8-12 ⁇ m band, the electrode pitch is less than or equal to 8 micrometers, to avoid the cutoff effect of the “short” wavelengths (8 at 10 ⁇ m) and greater than or equal to 5 ⁇ m to avoid polarization effects.
- each support element has at least one connection pillar and at least one thermal insulation arm.
- the invention also relates to a detector consisting of a set of unitary detectors such as defined above.
- step f) of material deposition sensitive can be performed before step b), the sensitive material then being etched in step c).
- the sensitive material is deposited according to a first layer before step b) and in a second layer to step f), the first layer of sensitive material then being etched in step c).
- step d) can be performed before or after this step b).
- Pillar means any element capable of support, from the support arm, the part sensitive, whatever its geometry.
- step a one realizes prior to step a), filing and etching a metal layer to form a reflector.
- the sacrificial layer is a polyimide layer to which was annealed.
- the conductive layer of step b) is a bilayer of titanium and aluminum nitride, the conductive material from step d) being deposited then after completion of steps b) and c), this material conductor and the aluminum then being etched from the same way in step d).
- the material conductor of step d) is a multilayer whose at at least one of the layers is formed by LPCVD.
- the elements conductors with first and second faces, the sensitive material being in contact with one of the faces of said elements, the other face is placed contact with a layer of passive material.
- a layer of passive material is also deposited on the face (s) of the sensitive material, not in contact with the conductive elements.
- the passive material is chosen from silicon oxide, silicon nitride and amorphous silicon.
- a second way to achieve metal electrodes involves connecting only two conductive elements occupying only part of the surface of the sensitive area. These two elements constitute the electrodes proper of the device. Other conductive elements are left free to float electrically on either side of these electrodes.
- the invention consists of a device made with a single conductive layer in which are defined using one level lithographic, patterns corresponding to the elements conductors. According to the invention these conductive elements can be done in two different ways.
- the Figures 3 and 4 show a first mode of realization of the conductive elements. According to this mode, these elements are produced in the form of two combs interdigitities performing simultaneously the functions microbolometer electrodes, infrared absorber and electrical connection to the reading circuit. This structure applies particularly, but not exclusively, to the use of amorphous silicon lightly doped as a material sensitive to temperature.
- the invention given in FIG. 3 comprises an area I comprising two conductive electrodes 13 and 13 'in form of interdigitated combs on the surface, these combs 13 and 13 'can have the shapes illustrated on the Figures 3, 4 and 5.
- Zone I of the sensitive part 10 is the temperature sensitive area. It also includes a layer of so-called bolometric material, the resistivity varies with temperature. This layer can be made of n-doped amorphous silicon (a-Si: H) or p.
- the two conductive electrodes 13 and 13 ′ in the form of interdigital combs combine two distinct functions, contrary to the provisions of the prior art: that of electrodes and that of absorption. Furthermore, in this embodiment, it is possible to optimize the free space defined between these two electrodes 13 and 13 ′, which can advantageously consist only of material sensitive to temperature (according to the most stripped embodiment). It advantageously has a minimum length and a maximum width, so as to allow the use of the highest possible resistivity material (at constant R0) to maximize dR / RdT (the length and the width are defined relatively to the direction of the passage current from one electrode to the other).
- the gain for a lithography of a resolution micrometer is therefore 300 on the resistivity of the material with equivalent resistance R0 (value under darkness) of the elementary point.
- zone I of sensitive part 10 the absorption of radiation infrared received by zone I of sensitive part 10 is a function of the equivalent layer resistance in this zone I and whether or not a reflector on the surface of the substrate 12. It is wise, in accordance with the state of the art, to provide for such reflector to return to the sensitive area the energy which crosses zone I of the sensitive part 10. Under these conditions an absorption is obtained close to 100% in the vicinity of 10 micrometers wavelength, for a space close to 2.5 micrometers (quarter wave) between the reflector and the plane of the sensitive element, and for resistance with a layer close to 380 ⁇ / square of this same area.
- the equivalent layer resistance of the zone I of the sensitive part 10 is equal to that of the (or) conductive layer (s) in parallel which make up.
- the thickness of this (these) layer (s) must be minimal (optimization of Cth of zone I) and Rth zones II, while remaining technologically practical, that is to say controllable and reproducible.
- the comb-shaped electrodes according to the invention play this role of infrared absorber in a single layer, advantageously associated with a single level definition lithographic.
- the electric field of the incident radiation is parallel to the large dimension of the patterns (E //).
- the electric field of the incident radiation is perpendicular to the large dimension of the patterns (E ⁇ ).
- the orientation of the electric field of the incident radiation is random with respect to the pattern electrodes.
- Average relative absorption, A average, (effective) adopts an intermediate value between first two curves.
- Ar> 90% the overall effective optimum is located around 8 micrometers steps to maximize the average absorption of a radiation at 10 ⁇ m.
- the pattern of the elements conductors be repeated following an understood step typically between ⁇ and ⁇ / 2 to obtain an absorption average greater than 90%.
- the rapid decrease in absorption by diffraction effect when p> ⁇ can justify a step of elements: p ⁇ 8 ⁇ m, to avoid the cut-off effect of short wavelengths (8 to 10 ⁇ m).
- Rcarré bolo being the layer resistance of the bolometric material.
- a comparable value is obtained, apart from peak effects, for the drawing in the form of a "telegraph pole" in FIG. 4A. Such a design does not exhibit any more polarization effect.
- FIG. 4B presents an exemplary embodiment of "electrodes in a telegraph pole" conforming to this criterion, allowing steps of the order of 2 micrometers or less, without detrimental polarization effect.
- "collectors” are produced with a pitch p1 close to or slightly less than ⁇ so as to ensure the absorption of infrared photons with "horizontal” polarization, relative to the drawing.
- step p2 In the other direction we can have a noticeably smaller step p2, ensuring the absorption of infrared photons with "vertical" polarization.
- the resulting resistance Ro of a bolometer of 50 ⁇ m ⁇ 50 ⁇ m for a pitch p1 of 2 micrometers with p1 / d # 1 between the electrodes is of the order of Rcarré bolo / 400 to 500. Even higher TCR materials can then be used at a given resistance R0.
- Figures 5A and 5B show examples of second embodiment of the elements conductors of the sensitive part of the detector. These elements are defined according to a plurality of patterns at least two of which are connected to the circuit of reading and constitute strictly speaking the electrodes 13 and 13 ', the other 13 "patterns not being not connected.
- the 13 '' patterns are rectilinear conductors, in this example in number of eight, parallel to each other and parallel to electrodes 13 and 13 '. These patterns are separated by one step p such that: ⁇ / 2 ⁇ p ⁇ .
- the electrodes 13 and 13 ′ have the shape of a “U”, in which are arranged the 13 "patterns which are also straight conductors, parallel to two outer branches of the "U”, the spacing p between these conductors also being: ⁇ / 2 ⁇ p ⁇ .
- This second embodiment allows a greater flexibility in adjusting the Ro resistance due to the possibility of connecting to the circuits of reading two very distant elements as in the Figure 5A or very close together as in the case of Figure 5B. This allows optimization of the coupling with the reading circuit.
- the infrared absorber functions and electrodes of temperature sensitive material using single conductive layer significantly simplifies the technological process on the one hand, because only one lithographic level, associated with a single operation of engraving is required.
- a resistance of layer close to 380 ⁇ / square is obtained with a greater thickness of conductive material, without increase in total mass, which improves the practicality of the deposition process.
- these arms of support / insulation can be advantageously cut in the assembly of layers forming the central part I, following a pattern of length L and width l.
- the thickness is by construction identical to that of zone I.
- the length of these patterns must be maximum, minimum width and thickness to maximize Rth.
- a lateral cutout of length L equal to one or two sides of an elementary point or pixel represents a maximum at the mechanical level, i.e. from 40 to 80 useful micrometers for a pixel of 50 ⁇ m ⁇ 50 ⁇ m.
- the width is typically from 1 to 3 micrometers.
- Figure 14 shows the easiest drawing of a pixel with two arms of insulation cut along two opposite edges. Each arm in the simplest version consists a conductive layer and a layer of material sensitive.
- these zones are made using space pillars reduced, which simply requires opening in zone III.
- Contact between the electrodes conductive 13 and 13 ', which extends to the area III is mainly provided by a metallic deposit, preferably performed by LPCVD, typically from tungsten, but other materials deposited by LPCVD can be used, such as titanium.
- Figures 11 and 12 show cases of connection pillars according to the embodiment preferred using an LPCVD repository.
- Other modes of possible for example a deposit metallic by spraying, but in this case it is necessary to provide large diameter connections (several micrometers), with steep sides. This results in a greater loss of space (decrease in the filling factor).
- the body of the pillar typically consists of several layers for performing the various retail functions of the connection, as explained below.
- the most interesting configuration consists of making the pillar by depositing LPCVD with a single sufficiently conductive material (refractory metal typically such as titanium) to simultaneously ensure all technological constraints of contact between the electrode 13 and the metal pad secured to the substrate.
- a single sufficiently conductive material typically such as titanium
- resistive material typically such as titanium
- the height of the pillar defines the spacing between the sensitive part and the underlying circuit. This spacing is in accordance with the state of the art close to ⁇ / 4 to center the maximum absorption in the vicinity of ⁇ if the surface of the circuit is provided with a infrared reflector.
- the manufacturing process of the microbolometer type according to the invention is carried out typically from a read circuit already completed, obtained itself according to known techniques for example microelectronics on substrate of silicon S.
- the elements appearing on the surface of a such circuit are generally both the studs metallic mounting devices (not shown) for the integration of the final product in a box empty, and the connection pads 20 of each point elementary from the detection device to the points reading circuit correspondents.
- These studs 20, like mounting pads, are usually reserved at the last metallic interconnection level of the reading circuit.
- Such a metallic layer is usually passivated using an insulating layer mineral. This mineral layer is engraved on a part of the surface of the pads 20, as well as the pads mounting. The manufacturing process of the the invention can therefore be understood from the structure thus carried out.
- Titanium nitride and amorphous silicon usually have a level of constraints high internal.
- the simplest layout offered in two superimposed layers (configuration called “preferred") can lead to deformations important, after the release stage, by effect "bimetallic strip”.
- the so-called passive material is preferably a material with low thermal conductivity because these diapers are also found in the arms of isolation. So we preferentially use silicon oxide (SiO), silicon nitride (SiN) or of amorphous silicon deposited according to the traditional methods.
- These two layers are engraved with the others during the twelfth stage.
- the preferred configuration is a stack symmetrical which effectively stabilizes the structure, as shown in Figure 15.
- An advantage associated with this arrangement is the effect of electrical passivation non-metallized surfaces of sensitive material or not opposite the electrodes.
- the additional mass can simply be offset by an equivalent decrease in the layer of sensitive material, for example silicon amorphous. Indeed, the densities and capacities intrinsic calories from silicon nitride, silicon oxide and amorphous silicon are not very different, no more than their conductivities respective thermal.
- Another advantageous configuration is achievable, always with the aim of improving the mechanical stability of the released structures, and possibly the electrical stability of the bolometers. It consists of a symmetrical distribution of the layers active (and possibly passive) on both sides of the titanium nitride electrode, in accordance with the figure 16.
- All the stacked layers are then engraved during the twelfth stage, as before.
- the total mass is similar to the stack of reference, but the structure is particularly stable by construction, because perfectly symmetrical. Additionally the central titanium nitride electrode makes contact of amorphous silicon on its two faces, which goes in the direction of improving injecting current through the structure.
- Figures 8 to 16 which illustrate the process of the invention represent sectional views of the structure produced, as well as views of lithographic levels, at the different stages of said process or variants thereof.
- FIG. 8A illustrates a section AA ' represented in FIG. 8B after definition of the reflector 21.
- FIG. 9A illustrates a section AA ' represented in FIG. 9B after definition of the connection openings 30.
- Figure 10 illustrates a section AA 'after interconnection metallization deposit.
- FIG. 11A illustrates a section AA ' illustrated in FIG. 11B after definition of metallic interconnection; reservations metal 31 being shown in Figure 11B.
- FIG. 12A illustrates a section AA ′ illustrated in FIG. 12B after definition of the electrodes with a tungsten thickness more important ("plug" configuration); the reference 32 on FIG. 12B illustrating an open pattern (engraved area).
- Figure 13 illustrates a section AA 'after deposit of bolometric material.
- FIG. 14A illustrates a section AA ' shown in Figure 14B after crosslinking.
- FIG. 15 illustrates a section AA ′ of a passivated structure (first variant).
- Figure 16 illustrates a structure passivated symmetrical (second variant).
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Abstract
Description
La présente invention concerne un détecteur infrarouge et le procédé de fabrication de celui-ci. Elle se rapporte au domaine des détecteurs de rayonnement infrarouge, et plus précisément aux microbolomètres résistifs opérant à température ambiante.The present invention relates to a detector infrared and the manufacturing process thereof. It relates to the field of detectors infrared radiation, and more specifically to resistive microbolometers operating at temperature ambient.
Les détecteurs de rayonnements optiques reposent sur divers modes d'interaction rayonnement/matière, par exemple les détecteurs dits quantiques, photoconducteurs, photovoltaïque, convertissent directement l'énergie du rayonnement en porteurs électriques libres. Ces porteurs sont collectés par des moyens adéquats, tels qu'une polarisation naturelle ou une polarisation appliquée au détecteur, et constituent la source du signal électrique, fonction de l'éclairement reçu par le détecteur. D'autres détecteurs appelés bolomètres, particulièrement adaptés au rayonnement infrarouge, convertissent l'énergie en échauffement. Le signal produit est l'image de la température du détecteur. La conversion signal thermique/signal électrique est le résultat d'une propriété électrique, conductivité, susceptibilité diélectrique ou autre, d'un matériau ou assemblage de matériaux du bolomètre, variable avec la température. De manière très simplifiée, les performances d'un détecteur quantique sont proportionnelles au nombre de porteurs collectés pour un éclairement donné. Les performances d'un bolomètre sont proportionnelles à l'élévation de température ΔT sous l'effet d'un éclairement donné, modulé par le taux de variation relative de la grandeur électrique mesurée G avec la température, soit ΔT.dG/G.dT. Pour un bolomètre résistif de résistance R on s'intéresse à la grandeur dR/R.dT, autrement notée TCR.Optical radiation detectors are based on various modes of interaction radiation / matter, for example so-called detectors quantum, photoconductive, photovoltaic, directly convert the energy of radiation into free electric carriers. These carriers are collected by adequate means, such as natural polarization or a polarization applied to detector, and constitute the source of the signal electric, function of the illumination received by the detector. Other detectors called bolometers, particularly suitable for infrared radiation, convert energy into heating. The signal product is the image of the detector temperature. The thermal signal / electrical signal conversion is the result of an electrical property, conductivity, dielectric or other susceptibility of a material or assembly of bolometer materials, variable with the temperature. In a very simplified way, the performance of a quantum detector are proportional to the number of carriers collected for a given light. The performance of a bolometer are proportional to the temperature rise ΔT under the effect of a given illumination, modulated by the rate relative variation of the electrical quantity measured G with temperature, ie ΔT.dG / G.dT. For a resistive bolometer of resistance R we are interested in the quantity dR / R.dT, otherwise noted TCR.
Usuellement les longueurs d'onde infrarouge intéressantes sont voisines de 4 micromètres ou 10 micromètres pour les applications terrestres par suite de l'existence de fenêtres de transmission liées à la nature de l'atmosphère. Les détecteurs unitaires ont des dimensions latérales (dans le plan de l'image) minimales de quelques longueurs d'onde, soit quelques dizaines de micromètres pour les dispositifs adaptés à la bande 8 à 12 µm. De tels dispositifs sont alors appelés "microbolomètres".Usually infrared wavelengths interesting are close to 4 micrometers or 10 micrometers for terrestrial applications per following the existence of linked transmission windows to the nature of the atmosphere. Unit detectors have lateral dimensions (in the image plane) minimum of a few wavelengths, or a few tens of micrometers for devices suitable for the band 8 to 12 µm. Such devices are then called "microbolometers".
Par nature, contrairement à la plupart des détecteurs quantiques infrarouges qui nécessitent un refroidissement, un détecteur de ce type est susceptible de fonctionner à température ambiante, pourvu qu'on sache discriminer l'échauffement dû au rayonnement incident (le signal) des diverses sources de bruit (thermique, électrique, ....) ambiantes. Cette fonction est du ressort des circuits associés et de leur mise en oeuvre. Leurs performances ultimes dépendent de quelques paramètres "technologiques", qui sont explicités dans la description.By nature, unlike most infrared quantum detectors that require a cooling, a detector of this type is capable of operating at room temperature, provided that we know how to discriminate overheating due to incident radiation (signal) from various sources ambient noise (thermal, electrical, etc.). This function is the responsibility of the associated circuits and their implementation. Their ultimate performances depend on a few "technological" parameters, which are explained in the description.
L'observation de scènes en rayonnement infrarouge basée sur la microbolométrie se pratique avantageusement à l'aide de matrices (ou rétines) de NxM points bolométriques unitaires (pixels), associés individuellement à des circuits qui génèrent les stimuli de fonctionnement et traitent le signal électrique résultant. Ces circuits sont avantageusement installés directement, en assemblage "monolithique" ou "hybride", en dessous du plan matriciel des microbolomètres. Ils sont appelés par la suite "circuit de lecture". Une telle matrice est montée derrière une optique adéquate qui y focalise l'image infrarouge de la scène observée. "L'image thermique" résultante est convertie en signaux électriquement manipulables par les circuits associés.Observation of radiation scenes infrared based on microbolometry is practiced advantageously using matrices (or retinas) of NxM unit bolometric points (pixels), associated individually to circuits that generate the operating stimuli and process the signal resulting electric. These circuits are advantageously installed directly, in "monolithic" assembly or "hybrid", below the matrix plane of microbolometers. They are called thereafter "circuit such a matrix is mounted behind a adequate optics which focus the infrared image of the scene observed. The resulting "thermal image" is converted into electrically manipulated signals by the associated circuits.
La puissance de rayonnement infrarouge effectivement utilisée par unité de surface pour élever la température d'un bolomètre unitaire est égale à Pi.Ar.Fr : Pi étant la puissance incidente sur la surface totale d'un pixel, Ar l'absorption relative dans la surface utile du pixel, Fr le facteur de remplissage (surface utile/surface totale). La température T de la partie utile (variable en température) observable à l'équilibre, c'est-à-dire au bout d'un temps suffisamment long sous éclairement constant, est égale à Rth.Pi.Ar.Fr ; Rth étant la résistance thermique globale entre la zone sensible (utile) du bolomètre et son environnement. Les pertes thermiques pour des dispositifs montés sous vide (convection négligeable) sont largement dominées par la conduction le long des parties mécaniques qui relient le détecteur à son support (circuit de lecture).The power of infrared radiation actually used per unit area to raise the temperature of a unitary bolometer is equal to Pi.Ar.Fr: Pi being the incident power on the total area of a pixel, Ar the relative absorption in the useful area of the pixel, Fr the factor of filling (useful surface / total surface). The temperature T of the useful part (variable in temperature) observable at equilibrium, i.e. at after a sufficiently long time under illumination constant, is equal to Rth.Pi.Ar.Fr; Rth being the overall thermal resistance between the sensitive area (useful) of the bolometer and its environment. The loss thermals for vacuum-mounted devices (negligible convection) are largely dominated by conduction along the mechanical parts that connect the detector to its support (reading circuit).
Une variation instantanée de niveau d'éclairement sur le pixel considéré se traduit par une variation de température ΔT atteinte au bout de typiquement 3τ, (établissement à 95 % de la nouvelle valeur d'équilibre) avec τ = Rth.Cth : Cth étant la capacité thermique de la partie sensible.Instant variation in level of illumination on the pixel considered results in a temperature variation ΔT reached after typically 3τ, (establishment at 95% of the new equilibrium value) with τ = Rth.Cth: Cth being the thermal capacity of the sensitive part.
Afin d'illustrer l'incidence des diverses
grandeurs technologiques caractérisant le bolomètre sur
les performances finales d'un point élémentaire, on
peut considérer (entre autres arrangements possibles)
le cas d'un bolomètre résistif polarisé en continu sous
une tension de polarisation Vpol (on s'intéresse à la
variation de courant sous l'effet d'une variation
d'éclairement) et dont la lecture utilise un mode
"choppé", c'est-à-dire la projection alternativement de
la scène à observer et d'une température uniforme et
constante de référence (telle l'image de la pale d'un
"chopper"). La "prise de vue" se fait en projetant un
élément de scène sur le bolomètre (point image) à t=0.
Après un temps de montée à l'équilibre thermique
(typiquement 3τ), on intègre le courant traversant le
bolomètre pendant un temps t sous forme d'une charge
Q = t.Vpol/R. Ensuite une image à température uniforme
de référence est projetée sur le bolomètre (pale du
chopper) et de nouveau après 3τ (nouvel équilibre de
température) le courant est intégré de la même façon et
comparé par des moyens électroniques adéquats au signal
précédent afin de quantifier l'élévation de température
de l'élément, donc l'éclairement relatif reçu. On
montre que, dans ce cas de mis en oeuvre, la puissance
équivalente de bruit (NEP), égale à la plus petite
puissance infrarouge détectable par le dispositif,
s'exprime par :
On voit donc que la puissance équivalente de bruit est d'autant plus faible (le détecteur d'autant plus performant) que l'absorption relative est élevée, tout comme le taux de remplissage et la résistance thermique des supports, ainsi que le coefficient de température TCR. En lecture, la charge intégrable mérite d'être aussi élevée que possible, comme la tension de polarisation. Ce dernier paramètre est généralement limité par l'augmentation de divers facteurs de bruit, en particulier dans le bolomètre lui-même, lorsque le champ dans la structure augmente. La tenue en tension du dispositif sans bruit excessif est donc une qualité essentielle.So we see that the equivalent power the lower the noise (the detector the more efficient) that the relative absorption is as well as the filling rate and the thermal resistance of the supports, as well as the TCR temperature coefficient. In reading, the charge integrable deserves to be as high as possible, like the bias voltage. This last parameter is generally limited by the increase in various noise factors, especially in the bolometer itself, when the field in the structure increases. The device withstand voltage without excessive noise is therefore an essential quality.
La capacité thermique définit par ailleurs la vitesse de réponse du bolomètre, à ce titre c'est aussi un paramètre technologique important car il définit, à travers le produit Rth.Cth, la fréquence maximum de lecture du pixel (fm=1/6τ dans l'exemple considéré si t<<τ).The thermal capacity also defines the bolometer response speed, as such it is also an important technological parameter because it defines, through the product Rth.Cth, the frequency maximum pixel reading (fm = 1 / 6τ in the example considered if t << τ).
Deux exemples de réalisation de l'art antérieur sont décrits dans les brevets US-A-5 021 663 et US-A-5 367 167.Two examples of art making are described in US-A-5,021,663 and US-A-5,367,167.
La figure 1 schématise le concept développé dans la première référence, la figure 2 celui développé dans la seconde. Typiquement un microbolomètre unitaire peut se subdiviser en trois parties principales : le coeur même du dispositif, dont la température varie avec l'éclairement (zone I sur les figures 1 et 2). Ce coeur est suspendu à l'aide des supports (zone II). Enfin, les zones III maintiennent l'ensemble.Figure 1 shows the concept developed in the first reference, figure 2 the one developed in the second. Typically a unitary microbolometer can be subdivided into three main parts: the heart of the device, whose temperature varies with illumination (zone I in Figures 1 and 2). This heart is suspended using supports (zone II). Finally, zones III maintain the whole.
La disposition et conformation de détail des différentes parties I, II et III représentées sous forme linéaire pour simplifier la description peut en particulier être adaptée à un matriçage suivant deux dimensions, afin de réaliser, avec une bonne compacité, des rétines photosensibles pour l'imagerie. Le caractère "suspendu" provient de la nécessité d'un isolement thermique, représenté par la grandeur Rth, très élevé entre le microbolomètre et son environnement.The layout and detail conformation of the different parts I, II and III represented under linear form to simplify the description can particular be adapted to a matrixing according to two dimensions, in order to achieve, with good compactness, photosensitive retinas for imaging. The "suspended" character arises from the need for a thermal insulation, represented by the quantity Rth, very high between the microbolometer and its environment.
Un microbolomètre unitaire se présente typiquement sous la forme d'un élément 10 sensible à la température (zone centrale I), supportée par au moins un élément de support (zone II), plus généralement deux, qui joue(nt) trois rôles :
- supporter mécaniquement la zone I ;
- connecter électriquement les bornes du microbolomètre aux zones III ;
- isoler thermiquement la partie sensible 10 des zones III.
- mechanically support zone I;
- electrically connect the microbolometer terminals to zones III;
- thermally isolate the
sensitive part 10 from zones III.
Les zones III ont pour fonction de :
- connecter électriquement et mécaniquement l'ensemble I et II sur le support sous-jacent 12 ;
- positionner en altitude le plan du bolomètre, lorsqu'une couche réfléchissante est disposée en surface du substrat pour améliorer l'absorption infrarouge (paramètre Ar).
- electrically and mechanically connect the assembly I and II to the
underlying support 12; - position the bolometer plane at altitude, when a reflective layer is placed on the surface of the substrate to improve infrared absorption (parameter Ar).
Sur les figures 1 et 2 le matériau
bolométrique est référencé 14. Sur la figure 2 on a, de
plus, une couche isolante électrique 15 et une couche
conductrice "absorbeur" 16.In Figures 1 and 2 the material
bolometric is referenced 14. In FIG. 2, we have
plus, an
Il est, en effet, nécessaire de prévoir une
structure dédiée ou intégrée pour assurer une
absorption optique Ar dans le bolomètre aussi proche
que possible de 1. Cet objectif est atteint d'après les
lois de l'électromagnétisme lorsque la résistance de
couche équivalente (toutes couches mises en parallèle)
du microbolomètre est égale à 377 Ω/carré (absorption
non sélective en longueur d'onde λ), et si on prend la
précaution de placer un miroir (réflecteur) à une
distance λ/4 sous le plan du microbolomètre pour
renvoyer le rayon, transmis à travers l'ensemble
flottant, vers le microbolomètre, en phase avec le
rayon incident, compte tenu de la rotation de phase π à
la réflexion métallique. Typiquement ce réflecteur, non
représenté sur les figures 1 et 2, est disposé en
surface du substrat/circuit de lecture 12. On veille à
construire par des moyens technologiques adéquats des
connexions 11 de hauteur appropriée pour maintenir
rigidement le plan du bolomètre au voisinage de la
distance spécifiée. Cette disposition conduit à un
dispositif sélectif en longueur d'onde (maximum
d'absorption à λ).It is indeed necessary to provide for a
dedicated or integrated structure to ensure
optical absorption Ar in the bolometer as close
as possible of 1. This objective is achieved according to
laws of electromagnetism when the resistance of
equivalent layer (all layers placed in parallel)
of the microbolometer is equal to 377 Ω / square (absorption
non-selective in wavelength λ), and if we take the
precaution to place a mirror (reflector) at a
distance λ / 4 below the microbolometer plane for
return the ray, transmitted through the whole
floating, towards the microbolometer, in phase with the
incident radius, taking into account the phase rotation π at
metallic reflection. Typically this reflector, not
shown in Figures 1 and 2, is arranged in
surface of the substrate / read
Comme déjà évoqué, le circuit de lecture
12, ordinairement réalisé sur un substrat en silicium
suivant les techniques usuelles de la micro-électronique,
est avantageusement disposé en dessous du
bolomètre, en particulier dans le cas de structures
matricielles de NxM points. Son rôle est d'une part de
fournir les stimuli de polarisation au microbolomètre
(application d'une tension ou d'un courant entre deux
électrodes 13, 13'), d'autre part de mesurer les
variations de caractéristiques induites par
l'échauffement du bolomètre sous l'effet de
l'éclairement infrarouge. L'ensemble du dispositif est
monté sous vide, ou sous faible pression, pour éviter
les pertes thermiques convectives, dans un boítier
étanche comportant une fenêtre optique en face avant et
des connexions électriques vers l'électronique
périphérique.As already mentioned, the
Dans tous les cas de construction, la zone
I doit présenter une capacité thermique Cth aussi
faible que possible, ce qui s'obtient en limitant le
nombre de couches empilées dans cette zone à
l'indispensable, leur épaisseur au minimum fonctionnel,
et en choisissant si possible des matériaux à faible
capacité calorifique spécifique Cp. La zone II doit
présenter une résistance thermique Rth maximum, une
résistance électrique négligeable devant celle de la
zone I, et une capacité thermique faible (dans la
mesure où elle constitue un "puits thermique" pour la
zone I qu'on veut voir varier en température). Les
zones III doivent assurer la continuité électrique
entre les zones II et le substrat 12, c'est-à-dire une
résistance électrique négligeable et une résistance
mécanique suffisante pour maintenir en position
l'ensemble flottant I + II.In all cases of construction, the area
I must also have a thermal capacity Cth
as low as possible, which is achieved by limiting the
number of layers stacked in this area at
the essential, their thickness at least functional,
and if possible choosing materials with low
specific heat capacity Cp. Zone II must
have a maximum thermal resistance Rth, a
negligible electrical resistance compared to that of
zone I, and a low thermal capacity (in the
since it constitutes a "heat sink" for the
zone I that we want to see varying in temperature). The
zones III must provide electrical continuity
between zones II and
La zone I comporte essentiellement
l'élément 10 sensible à la température. Elle comprend
typiquement deux électrodes conductrices 13 et 13' en
contact avec un matériau "bolométrique" dont la
résistance ou une autre caractéristique électrique
varie avec la température.Zone I essentially comprises
Ces électrodes peuvent être parallèles au plan du substrat, en dessus et en dessous du matériau bolométrique qui est pris en sandwich. Cette configuration est illustrée par la figure 1. Selon ce premier concept, le courant résultant des stimuli imposés par le circuit de lecture traverse la structure perpendiculairement au plan du dispositif. Dans ce cas ces électrodes sont "pleines", c'est-à-dire occupent la totalité ou la plus grande partie de la surface de la zone I. Le matériau bolométrique peut être du silicium amorphe légèrement dopé n ou p, ou tout matériau dont la conductance, ou la susceptibilité diélectrique, ou la polarisation (puisque la configuration est clairement celle d'un condensateur) varie avec la température, par exemple au voisinage de la température ambiante. These electrodes can be parallel to the substrate plane, above and below the material bolometric which is sandwiched. This configuration is illustrated in Figure 1. According to this first concept, the current resulting from stimuli imposed by the reading circuit crosses the structure perpendicular to the plane of the device. In that case these electrodes are "full", that is to say occupy the all or most of the surface of the zone I. The bolometric material can be silicon lightly doped n or p amorphous, or any material of which conductance, or dielectric susceptibility, or polarization (since the configuration is clearly that of a capacitor) varies with the temperature, for example near the temperature ambient.
Dans cette première configuration la
résistance de couche globale pour optimiser le couplage
optique (absorption Ar) est obtenue en ajustant celle
des deux électrodes 13 et 13' au voisinage de 750 Ω
/carré, puisqu'on a deux conducteurs en parallèle au
sens optique.In this first configuration the
overall layer resistance to optimize coupling
optical (Ar absorption) is obtained by adjusting that
of the two
Dans une autre configuration, illustrée par
la figure 2, les électrodes 13 et 13' sont coplanaires
et constituent de simples contacts latéraux, situés le
long de deux arêtes opposées de la zone I et n'occupent
typiquement qu'une faible partie de cette zone. Le
courant dans la structure circule alors parallèlement
au plan du dispositif. Cette deuxième configuration est
mieux adaptée à la mise en oeuvre du silicium amorphe
légèrement dopé n ou p comme matériau bolométrique car
les électrodes sont, par construction, beaucoup plus
éloignées. Cependant le couplage optique (Ar) ne peut
être obtenu avec le silicium amorphe seul, dont la
résistivité est beaucoup trop élevée. Ce couplage
optique est alors obtenu en ajoutant une couche
conductrice 16 spécifique de 377 Ω/carré, isolée
électriquement du corps de la zone I par une couche
diélectrique 15.In another configuration, illustrated by
Figure 2, the
Le concept illustré sur la figure 1 (US-A-5 021 663) présente les inconvénients suivants :
- Domaine d'application limité aux matériaux de forte résistivité, typiquement > 5.105 Ωcm pour procurer une résistance Ro de l'ordre du MΩ (0,1 µm de matériau thermosensible, surface 50 µm × 50 µm). Il en résulte, au moins dans le cas du silicium amorphe, des difficultés certaines de contrôle de procédé d'élaboration.
- Les structures de ce type présentent en général, au-delà de quelques centaines de millivolts de polarisation, des caractéristiques tension-courant non linéaires, voire fortement non linéaires, car l'épaisseur de la couche thermosensible doit être faible (submicronique) pour limiter la capacité thermique de l'ensemble. Ces faibles épaisseurs s'accompagnent ordinairement de phénomènes de conduction dominés notamment par les interfaces, typiquement bruyante et non linéaire. Cette caractéristique liée au très faible espacement des deux électrodes est préjudiciable aux performances d'imagerie de la rétine. Dans certaines conditions, des matériaux comme le silicium amorphe dopé ou des oxydes de vanadium peuvent présenter une linéarité acceptable, mais seulement aux faibles tensions de polarisation Vpol, ce qui tend à limiter les performances en termes de rapport signal / bruit, par affaiblissement du signal.
- Le bruit électrique de telles structures tend ordinairement à augmenter rapidement quand la tension de polarisation augmente ; par apparition d'autres mécanismes de bruit que le "bruit blanc" lié à la valeur de la résistance. Il en résulte que, même si on admet de travailler en zone non linéaire (sous forte tension pour augmenter le signal), le rapport signal/bruit se détériore par augmentation du bruit.
- La réalisation est complexe (cinq niveaux
de masquage au moins) car les électrodes 13 et 13' sont
indépendantes, ce qui nécessite, quelles que soient les
astuces d'assemblage, un niveau lithographique et des
opérations associées pour réaliser les reprises de
contact dans les zones III, respectivement sur 13 et
13'. D'autre part, au moins trois couches sont
nécessaires pour réaliser la structure (
électrode 13/matériau bolométrique/électrode 13'), d'où un nombre d'opérations de construction élevé, c'est-à-dire finalement un coût élevé (nombre d'opérations / rendement). - Certains procédés présentent des caractéristiques critiques vitales, qui jouent sur le potentiel de rendement, par rapport à la fonctionnalité du dispositif : gravure des connexions situées dans les zones III, gravure de l'électrode 13', gravure périphérique de réticulation, intégrité des couches très fines prises en sandwich entre deux conducteurs non équipotentiels. Toutes ces caractéristiques sont potentiellement la source de fuites électriques entre électrodes, elles-mêmes sources de perturbations du signal (dispersions de niveau en structure matricielle) ou/et de bruit excédentaire.
- La fonction absorbeur infrarouge nécessite de réaliser deux couches de métal avec des résistances de couche de 750 Ω/carré, difficile à réaliser et contrôler avec les métaux usuels, qui doivent par ailleurs présenter de bonnes caractéristiques de contact sur le matériau bolométrique. Le nitrure de titane (TiN) par exemple présente des résistivités élevées, 100 à 300 µΩcm usuellement suivant le procédé utilisé. Les épaisseurs requises vont de 13 à 40 Angström suivant la résistivité, et beaucoup moins avec les métaux usuels (Titane, Chrome...) .
- Le dessin des zones d'interconnexion III occupe une surface relativement importante (deux vias+gardes et espaces divers) au détriment du facteur de remplissage Fr.
- Field of application limited to materials with high resistivity, typically> 5.10 5 Ωcm to provide a Ro resistance of the order of MΩ (0.1 µm of heat-sensitive material, surface 50 µm × 50 µm). As a result, at least in the case of amorphous silicon, certain difficulties in controlling the production process.
- Structures of this type generally have, beyond a few hundred millivolts of polarization, non-linear, even highly non-linear voltage-current characteristics, because the thickness of the heat-sensitive layer must be low (submicron) to limit the thermal capacity of the assembly. These small thicknesses are usually accompanied by conduction phenomena dominated in particular by the interfaces, typically noisy and non-linear. This characteristic linked to the very small spacing of the two electrodes is detrimental to the imaging performance of the retina. Under certain conditions, materials such as doped amorphous silicon or vanadium oxides may exhibit acceptable linearity, but only at low polarization voltages Vpol, which tends to limit the performance in terms of signal / noise ratio, by signal weakening .
- The electrical noise of such structures usually tends to increase rapidly as the bias voltage increases; by the appearance of noise mechanisms other than "white noise" linked to the value of the resistance. As a result, even if it is accepted to work in a non-linear zone (under high voltage to increase the signal), the signal / noise ratio deteriorates by increasing noise.
- The production is complex (at least five masking levels) because the
13 and 13 ′ are independent, which requires, whatever the assembly tricks, a lithographic level and associated operations to carry out contact recovery in the zones III, respectively on 13 and 13 '. On the other hand, at least three layers are necessary to make the structure (electrodes electrode 13 / bolometric material / electrode 13 '), which results in a high number of construction operations, that is to say ultimately a high cost. (number of operations / yield). - Certain processes have vital critical characteristics, which affect the yield potential, in relation to the functionality of the device: etching of the connections located in zones III, etching of the electrode 13 ', etching of the crosslinking device, integrity of the layers very fine sandwiched between two non-equipotential conductors. All these characteristics are potentially the source of electrical leaks between electrodes, themselves sources of signal disturbances (level dispersions in matrix structure) or / and excess noise.
- The infrared absorber function requires making two layers of metal with layer resistances of 750 Ω / square, difficult to achieve and control with common metals, which must moreover have good contact characteristics on the bolometric material. Titanium nitride (TiN) for example has high resistivities, 100 to 300 μΩcm usually depending on the process used. The thicknesses required range from 13 to 40 Angstroms, depending on the resistivity, and much less with common metals (Titanium, Chrome, etc.).
- The design of interconnection zones III occupies a relatively large area (two vias + guards and various spaces) to the detriment of the filling factor Fr.
Le concept représenté sur la figure 2 (US-A-5 367 167) présente les inconvénients suivants :
- L'espacement élevé des électrodes du bolomètre, égal pratiquement au pas de répétition en structure matricielle, à épaisseur constante de matériau thermosensible (cette épaisseur est dictée par la contrainte sur Cth, c'est-à-dire minimum) implique une résistivité de ce dernier relativement faible pour assurer un niveau de résistance R0 adapté au couplage avec le circuit de lecture. Dans le cas du silicium amorphe, cela signifie un coefficient dR/RdT relativement faible. Cette approche est donc limitée en performances.
- La fonction absorbeur infrarouge nécessite, du fait de l'espacement très élevé entre les deux électrodes, une couche métallique sur toute la surface sensible, doublée d'une couche d'isolement diélectrique pour éviter le court-circuit avec les électrodes actives. L'épaisseur totale résultante de matériaux empilés est élevée (1500 à 2500 Angström de matières diverses), d'où une capacité thermique importante de la zone sensible.
- La statistique d'isolement (c'est-à-dire l'intégrité physique) de la couche de passivation (nécessairement très fine) entre absorbeur infrarouge et matériau sensible à la température, définit le rendement fonctionnel des dispositifs. Le dépôt de cette couche est donc une étape critique.
- La réalisation est complexe (six niveaux de masquage).
- Les interconnexions vers le circuit de lecture nécessitent une surface non négligeable (deux vias + un espace entre connexions). Le taux de remplissage Fr en est diminué d'autant.
- The high spacing of the bolometer electrodes, practically equal to the repetition step in a matrix structure, with a constant thickness of thermosensitive material (this thickness is dictated by the stress on Cth, i.e. minimum) implies a resistivity of this the latter relatively low to ensure a resistance level R0 suitable for coupling with the read circuit. In the case of amorphous silicon, this means a relatively low coefficient dR / RdT. This approach is therefore limited in performance.
- The infrared absorber function requires, due to the very high spacing between the two electrodes, a metal layer over the entire sensitive surface, doubled with a dielectric insulation layer to avoid short-circuiting with the active electrodes. The resulting total thickness of stacked materials is high (1500 to 2500 Angstroms of various materials), resulting in a significant thermal capacity of the sensitive area.
- The isolation statistics (that is to say the physical integrity) of the passivation layer (necessarily very thin) between infrared absorber and temperature-sensitive material, defines the functional performance of the devices. The deposition of this layer is therefore a critical step.
- The realization is complex (six levels of masking).
- The interconnections to the reading circuit require a considerable surface (two vias + a space between connections). The filling rate Fr is reduced accordingly.
Par rapport aux bolomètres résistifs actuels, qui ne présentent pas une relation courant/tension linéaire, à forte tension, et naturellement bruyants (dispositifs à électrodes parallèles) ou comportent, en plus de leurs électrodes, une couche métallique dans un autre plan pour assurer la fonction d'absorption des rayonnements (dispositifs à électrodes coplanaires), l'invention a pour objet un détecteur infrarouge de type bolomètre résistif à éléments conducteurs coplanaires qui permette d'assurer la fonction d'électrodes et l'absorption des rayonnements tout en conservant la linéarité de la relation courant/tension et un faible niveau de bruit même à forte tension.Compared to resistive bolometers current, who do not have a relationship linear current / voltage, high voltage, and naturally noisy (electrode devices parallel) or have, in addition to their electrodes, a metallic layer in another plane to ensure the radiation absorption function (devices with coplanar electrodes), the subject of the invention is a bolometer-type infrared detector resistive to coplanar conductive elements which ensure the function of electrodes and the absorption of radiation while retaining the linearity of the current / voltage relationship and low noise level even at high voltage.
De plus cette invention permet la mise en oeuvre de matériaux bolométriques plus performants (plus résistifs) suivant un assemblage technologique plus simple.In addition, this invention allows the implementation more efficient bolometric materials (more resistive) following a technological assembly simpler.
La présente invention concerne un détecteur infrarouge comprenant :
- une partie sensible comportant :
- un élément sensible comportant une couche de matériau dont la résistivité varie avec la température,
- des éléments conducteurs permettant d'assurer les fonctions d'électrodes dudit détecteur et d'absorbeur infrarouge ;
- au moins un élément de support de la partie sensible apte à positionner ladite partie sensible, à la relier électriquement à un circuit de lecture et à l'isoler thermiquement du reste de la structure ;
- a sensitive part comprising:
- a sensitive element comprising a layer of material whose resistivity varies with temperature,
- conductive elements making it possible to ensure the functions of electrodes of said detector and of infrared absorber;
- at least one support element for the sensitive part able to position said sensitive part, to connect it electrically to a reading circuit and to thermally isolate it from the rest of the structure;
Selon un premier mode de réalisation les éléments conducteurs comportent deux électrodes interdigitées réalisant simultanément les fonctions d'électrodes et d'absorbeurs, ces électrodes étant reliées au circuit de lecture.According to a first embodiment, the conductive elements have two electrodes interdigitated simultaneously performing the functions electrodes and absorbers, these electrodes being connected to the reading circuit.
Selon un deuxième mode de réalisation les éléments conducteurs comportent deux électrodes d'un premier type reliées au circuit de lecture et au moins une électrode d'un second type porté à un potentiel flottant, l'électrode du second type assurant uniquement la fonction d'absorbeur et les électrodes du premier type assurant simultanément les fonctions d'électrodes et d'absorbeur.According to a second embodiment, the conductive elements have two electrodes of a first type connected to the reading circuit and at least a second type electrode brought to a potential floating, the electrode of the second type ensuring only the absorber function and the electrodes of the first type simultaneously performing the functions electrodes and absorber.
Avantageusement au moins deux éléments conducteurs assurent la connexion électrique vers le circuit de lecture.Advantageously at least two elements conductors provide the electrical connection to the reading circuit.
Selon une première variante ladite face de la couche de matériau sensible est la face inférieure, les éléments conducteurs étant disposés sous ladite couche.According to a first variant, said face of the layer of sensitive material is the underside, the conductive elements being arranged under said layer.
Selon une seconde variante ladite face de la couche de matériau sensible est la face supérieure, les éléments conducteurs étant disposés sur ladite couche.According to a second variant, said face of the layer of sensitive material is the upper face, the conductive elements being arranged on said layer.
Selon une troisième variante, les éléments conducteurs sont situés entre deux couches de matériau sensible, c'est-à-dire en contact avec la face supérieure d'une première couche et la face inférieure d'une seconde couche de matériau sensible.According to a third variant, the elements conductors are located between two layers of material sensitive, i.e. in contact with the face top of a first layer and the underside a second layer of sensitive material.
Avantageusement le matériau sensible à la température est du silicium amorphe dopé. Il peut être également un oxyde de vanadium.Advantageously, the material sensitive to temperature is doped amorphous silicon. He can be also a vanadium oxide.
Avantageusement l'espace libre défini entre les éléments conducteurs est constitué uniquement de matériau sensible à la température. Advantageously, the free space defined between the conductive elements consists only of temperature sensitive material.
Avantageusement un réflecteur est prévu en surface du substrat supportant le circuit de lecture, et situé à λ/4 sous le plan de l'élément sensible, λ étant la longueur d'onde du rayonnement R pour laquelle le bolomètre sera préférentiellement sensible.Advantageously, a reflector is provided in surface of the substrate supporting the reading circuit, and located at λ / 4 below the plane of the sensitive element, λ being the wavelength of the radiation R for which the bolometer will preferably be sensitive.
Avantageusement le motif des éléments conducteurs est répété suivant un pas compris typiquement entre λ et λ/2 pour obtenir une absorption moyenne supérieure à 90 % ; par exemple pour la détection dans la bande 8-12 µm, le pas d'électrode est inférieur ou égal à 8 micromètres, pour éviter l'effet de coupure des longueurs d'ondes « courtes » (8 à 10 µm) et supérieur ou égal à 5 µm pour éviter les effets de polarisation.Advantageously the pattern of the elements conductors is repeated in steps typically between λ and λ / 2 to obtain a average absorption greater than 90%; for example for detection in the 8-12 µm band, the electrode pitch is less than or equal to 8 micrometers, to avoid the cutoff effect of the “short” wavelengths (8 at 10 µm) and greater than or equal to 5 µm to avoid polarization effects.
Avantageusement chaque élément support comporte au moins un pilier de connexion et au moins un bras d'isolement thermique.Advantageously, each support element has at least one connection pillar and at least one thermal insulation arm.
L'invention concerne également un détecteur constitué d'un ensemble de détecteurs unitaires tels que définis ci-dessus.The invention also relates to a detector consisting of a set of unitary detectors such as defined above.
L'invention concerne également un procédé
de fabrication d'un détecteur infrarouge, caractérisé
en ce qu'en partant d'un circuit de lecture déjà achevé
à partir d'un substrat, il comporte les étapes
suivantes :
L'ordre des étapes précédentes peut bien entendu être modifié, en particulier selon un autre mode de réalisation, l'étape f) de dépôt de matériau sensible peut être réalisée avant l'étape b), le matériau sensible étant alors gravé à l'étape c).The order of the previous steps may well heard to be changed, especially according to another embodiment, step f) of material deposition sensitive can be performed before step b), the sensitive material then being etched in step c).
Selon encore un autre mode de réalisation, le matériau sensible est déposé selon une première couche avant l'étape b) et en une deuxième couche à l'étape f), la première couche de matériau sensible étant alors gravée à l'étape c).According to yet another embodiment, the sensitive material is deposited according to a first layer before step b) and in a second layer to step f), the first layer of sensitive material then being etched in step c).
Par ailleurs, suivant le matériau de la couche conductrice de l'étape b), l'étape d) peut être réalisée avant ou après cette étape b).Furthermore, depending on the material of the conductive layer of step b), step d) can be performed before or after this step b).
On entend par pilier tout élément apte à supporter, à partir du bras du support, la partie sensible, quelle que soit sa géométrie.Pillar means any element capable of support, from the support arm, the part sensitive, whatever its geometry.
Selon un mode avantageux, on réalise préalablement à l'étape a), le dépôt et la gravure d'une couche métallique pour former un réflecteur. According to an advantageous mode, one realizes prior to step a), filing and etching a metal layer to form a reflector.
Selon un mode avantageux de réalisation la couche sacrificielle est une couche de polyimide à laquelle on a fait subir un recuit.According to an advantageous embodiment the sacrificial layer is a polyimide layer to which was annealed.
Selon un autre mode avantageux de réalisation, la couche conductrice de l'étape b) est une bicouche de nitrure de titane et d'aluminium, le matériau conducteur de l'étape d) étant déposé alors après réalisation des étapes b) et c), ce matériau conducteur et l'aluminium étant ensuite gravés de la même façon à l'étape d).According to another advantageous mode of realization, the conductive layer of step b) is a bilayer of titanium and aluminum nitride, the conductive material from step d) being deposited then after completion of steps b) and c), this material conductor and the aluminum then being etched from the same way in step d).
Selon un autre mode avantageux, le matériau conducteur de l'étape d) est un multicouche dont au moins une des couches est formée par LPCVD.According to another advantageous mode, the material conductor of step d) is a multilayer whose at at least one of the layers is formed by LPCVD.
Selon un mode de réalisation, les éléments conducteurs présentant une première et une deuxième faces, le matériau sensible étant en contact avec l'une des faces desdits éléments, l'autre face est mise en contact avec une couche de matériau passif.According to one embodiment, the elements conductors with first and second faces, the sensitive material being in contact with one of the faces of said elements, the other face is placed contact with a layer of passive material.
Selon encore un autre mode de réalisation, une couche de matériau passif est également déposée sur la ou les faces du matériau sensible, non en contact avec les éléments conducteurs.According to yet another embodiment, a layer of passive material is also deposited on the face (s) of the sensitive material, not in contact with the conductive elements.
Enfin, selon un mode avantageux, le matériau passif est choisi parmi l'oxyde de silicium, le nitrure de silicium et le silicium amorphe.Finally, according to an advantageous mode, the passive material is chosen from silicon oxide, silicon nitride and amorphous silicon.
Les avantages principaux du détecteur de l'invention sont les suivants :
- Cette réalisation présente une simplicité
maximale, donc un potentiel de rendement technologique
maximum pour deux raisons essentielles :
- le nombre de couches et donc de niveaux lithographiques pour en définir les contours est minimum,
- la présence d'une couche conductrice unique (dispositif à électrodes coplanaires sans contre-couche métallique) efface la criticité technologique de tous les matériaux et procédés évoqués précédemment.
- La capacité thermique totale Cth de la partie sensible est minimum grâce à la mise en oeuvre (dans la version la plus dépouillée) nécessaire de deux couches superposées seulement dans la zone sensible : une couche sensible à la température, essentiellement continue, et une couche conductrice n'occupant typiquement qu'une partie de la surface de cette zone.
- Surtout, il est possible simplement à l'aide du dessin des motifs conducteurs de la zone sensible, d'améliorer les performances du détecteur par rapport à l'art antérieur, par l'emploi de matériaux plus résistifs (à TCR plus élevé dans le cas du silicium amorphe), ou d'ajuster la résistance Ro du détecteur pour un matériau de résistivité donnée, ce qui revient également à améliorer le dispositif.
- This realization presents a maximum simplicity, therefore a potential of maximum technological yield for two essential reasons:
- the number of layers and therefore of lithographic levels to define the contours is minimum,
- the presence of a single conductive layer (device with coplanar electrodes without metallic backing) erases the technological criticality of all the materials and processes mentioned above.
- The total thermal capacity Cth of the sensitive part is minimum thanks to the implementation (in the most stripped version) necessary of two superimposed layers only in the sensitive zone: a temperature sensitive layer, essentially continuous, and a conductive layer typically occupying only part of the surface of this area.
- Above all, it is possible simply by using the design of the conductive patterns of the sensitive area, to improve the performance of the detector compared to the prior art, by the use of more resistive materials (at higher TCR in the amorphous silicon), or to adjust the resistance Ro of the detector for a material of given resistivity, which also amounts to improving the device.
Une première façon de réaliser ces motifs conducteurs consiste à définir deux électrodes en forme de peignes interdigités, couvrant l'essentiel de la surface de la zone sensible.
- Le coefficient de variation en température TCR peut alors être optimisé, tout en restant assorti d'une caractéristique courant-tension linéaire parce qu'intrinsèque aux dispositifs à électrodes coplanaires. Cette optimisation peut être obtenue par la réduction de l'espace entre les deux électrodes, moyennant certaines précautions relativement à l'absorption optique, comme exposé plus loin, afin d'autoriser la mise en oeuvre de matériaux plus résistifs (à plus fort TCR dans le cas du silicium amorphe), à R0 constant (imposé par Q à Vpol constant). Une autre façon d'exploiter cet arrangement d'électrodes est d'augmenter la tension de polarisation Vpol, à dessin d'électrodes, épaisseur de matériau sensible et Q constants, en augmentant d'autant la résistance R0, c'est-à-dire en utilisant un matériau plus résistif (par exemple par une action adéquate sur le dopage du silicium amorphe), ce qui tend à améliorer TCR dans le cas du silicium amorphe.
- The coefficient of variation in temperature TCR can then be optimized, while remaining associated with a linear current-voltage characteristic because it is intrinsic to the devices with coplanar electrodes. This optimization can be obtained by reducing the space between the two electrodes, with certain precautions relating to optical absorption, as explained below, in order to allow the use of more resistive materials (with higher TCR in the case of amorphous silicon), at constant R0 (imposed by Q at constant Vpol). Another way of exploiting this arrangement of electrodes is to increase the bias voltage Vpol, with electrode design, constant material thickness and Q constant, thereby increasing the resistance R0, that is to say say by using a more resistive material (for example by an adequate action on doping of amorphous silicon), which tends to improve TCR in the case of amorphous silicon.
Une seconde façon de réaliser les électrodes métalliques consiste à ne connecter que deux éléments conducteurs n'occupant qu'une partie de la surface de la zone sensible. Ces deux éléments constituent les électrodes proprement dites du dispositif. D'autres éléments conducteurs sont laissés libres de flotter électriquement de part et d'autre de ces électrodes.A second way to achieve metal electrodes involves connecting only two conductive elements occupying only part of the surface of the sensitive area. These two elements constitute the electrodes proper of the device. Other conductive elements are left free to float electrically on either side of these electrodes.
La résistance Ro vue entre les deux électrodes peut varier très sensiblement (typiquement d'un facteur > 60 à 600 pour une définition lithographique de 3 µm et 1 µm respectivement et une taille de détecteur de 50 × 50 µm) entre les diverses façons de réaliser ces motifs, à épaisseur et résistivité du matériau sensible constantes. Ce trait intrinsèque à l'invention offre un degré de liberté considérable au concepteur pour optimiser le couplage du détecteur au circuit de lecture, sans modifications technologiques, ni ajustement de la résistivité du matériau sensible, éventuellement inaccessible.
- Accessoirement le facteur de remplissage est optimisé par la mise en oeuvre d'une méthode de connexion électrique et mécanique vers le circuit de lecture de faible encombrement, qui comporte un ou (plus généralement) deux piliers par point élémentaire (ou détecteur unitaire). Certains modes de réalisation permettent la réalisation de connexions à caractéristiques mécaniques améliorées par rapport à l'état de l'art, par disposition symétrique des couches. La conséquence est essentiellement une meilleure statistique de positionnement du plan sensible par rapport au réflecteur, donc une meilleure uniformité de réponse pour un ensemble de détecteurs.
- Incidentally, the filling factor is optimized by the implementation of a method of electrical and mechanical connection to the space-saving reading circuit, which comprises one or (more generally) two pillars per elementary point (or unitary detector). Certain embodiments allow the realization of connections with improved mechanical characteristics compared to the state of the art, by symmetrical arrangement of the layers. The consequence is essentially a better statistic of positioning of the sensitive plane relative to the reflector, therefore a better uniformity of response for a set of detectors.
- les figures 1A et 1B illustrent un premier exemple de réalisation d'un détecteur de l'art antérieur, respectivement dans une vue parallèle au plan du substrat et dans une vue de dessus ;Figures 1A and 1B illustrate a first example of an art detector anteriorly, respectively in a view parallel to the plane of the substrate and in a top view;
- les figures 2A et 2B illustrent un second exemple de réalisation d'un détecteur de l'art antérieur, respectivement dans une vue parallèle au plan du substrat et dans une vue du dessus ;Figures 2A and 2B illustrate a second example of an art detector anteriorly, respectively in a view parallel to the plane of the substrate and in a top view;
- les figures 3A et 3B illustrent le dessin général du détecteur selon un premier mode de réalisation de l'invention, respectivement dans une vue parallèle au plan du substrat et dans une vue du dessus ;Figures 3A and 3B illustrate the drawing general of the detector according to a first mode of realization of the invention, respectively in a view parallel to the plane of the substrate and in a view of the above ;
- les figures 4A et 4B illustrent deux autres exemples de réalisation d'électrodes du détecteur de l'invention illustré sur la figure 3 ;Figures 4A and 4B illustrate two other examples of electrodes of the detector of the invention illustrated in Figure 3;
- les figures 5A et 5B illustrent un deuxième mode de réalisation du détecteur selon l'invention ;Figures 5A and 5B illustrate a second embodiment of the detector according to the invention;
- la figure 6 représente une simulation obtenue à partir des équations de Maxwell de l'absorption relative Ar en fonction du paramètre p/λ (pas du motif/longueur d'onde) ; Figure 6 shows a simulation obtained from Maxwell's equations of the relative absorption Ar as a function of the parameter p / λ (no pattern / wavelength);
- la figure 7 illustre les types de rayonnement et le champ électrique utilisés dans la simulation de la figure 6 ;Figure 7 illustrates the types of radiation and the electric field used in the simulation of Figure 6;
- les figures 8A, 9A, 10, 11A, 12A, 13, 14A, 15 et 16 illustrent différentes coupes de la structure formée par le détecteur de l'invention, au cours de la fabrication de celui-ci ;FIGS. 8A, 9A, 10, 11A, 12A, 13, 14A, 15 and 16 illustrate different sections of the structure formed by the detector of the invention, at during the manufacture thereof;
- les figures 8B, 9B, 11B, 12B et 14B illustrent des vues de différents niveaux lithographiques du détecteur de l'invention, au cours de la fabrication de celui-ci.Figures 8B, 9B, 11B, 12B and 14B illustrate views of different levels lithographic of the detector of the invention, during of making it.
L'invention consiste en un dispositif réalisé à l'aide d'une seule couche conductrice dans laquelle sont définis, à l'aide d'un seul niveau lithographique, des motifs correspondant aux éléments conducteurs. Selon l'invention ces éléments conducteurs peuvent être réalisés de deux façon différentes. les figures 3 et 4 représentent un premier mode de réalisation des éléments conducteurs. Selon ce mode, ces éléments sont réalisés sous forme de deux peignes interdigités réalisant simultanément les fonctions d'électrodes du microbolomètre, d'absorbeur infrarouge et de connexion électrique vers le circuit de lecture. Cette structure s'applique particulièrement, mais pas exclusivement, à la mise en oeuvre du silicium amorphe faiblement dopé comme matériau sensible à la température.The invention consists of a device made with a single conductive layer in which are defined using one level lithographic, patterns corresponding to the elements conductors. According to the invention these conductive elements can be done in two different ways. the Figures 3 and 4 show a first mode of realization of the conductive elements. According to this mode, these elements are produced in the form of two combs interdigitities performing simultaneously the functions microbolometer electrodes, infrared absorber and electrical connection to the reading circuit. This structure applies particularly, but not exclusively, to the use of amorphous silicon lightly doped as a material sensitive to temperature.
De façon plus précise le dispositif de
l'invention donné par la figure 3 comprend une zone I
comportant deux électrodes conductrices 13 et 13' en
forme de peignes interdigités en surface, ces peignes
13 et 13' peuvent avoir les formes illustrées sur les
figures 3, 4 et 5.More precisely, the
the invention given in FIG. 3 comprises an area I
comprising two
La zone I de la partie sensible 10 est la
zone sensible à la température. Elle comporte en outre
une couche de matériau dit bolométrique, dont la
résistivité varie avec la température. Cette couche
peut être réalisée en silicium amorphe (a-Si:H) dopé n
ou p.Zone I of the
Selon l'invention les deux électrodes
conductrices 13 et 13' en forme de peignes
interdigités, cumulent deux fonctions distinctes,
contrairement aux dispositions de l'art antérieur :
celle d'électrodes et celle d'absorption. Par ailleurs,
dans ce mode de réalisation, on peut optimiser l'espace
libre défini entre ces deux électrodes 13 et 13', qui
peut être avantageusement constitué uniquement de
matériau sensible à la température (suivant le mode
réalisation le plus dépouillé). Il a avantageusement
une longueur minimum et une largeur maximum, de façon à
autoriser la mise en oeuvre du matériau de résistivité
la plus élevée possible (à R0 constant) pour maximiser
dR/RdT (la longueur et la largeur sont définies
relativement au sens du passage du courant d'une
électrode vers l'autre). Dans un point élémentaire de
50 × 50 µm2 par exemple, et pour une résolution
lithographique de deux micromètres, il est possible, en
simplifiant, de définir un espace de deux micromètres
de longueur et (12 x 50) micromètres de largeur, soit
une résistance globale de couche de 1/300 carré ; la
résistance vue entre deux électrodes linéaires
disposées sur deux arêtes opposées du point élémentaire
équivalent de son côté à un carré. Le gain pour une
lithographie de un micromètre de résolution est donc de
300 sur la résistivité du matériau à résistance R0
équivalente (valeur sous obscurité) du point
élémentaire.According to the invention, the two
En outre l'absorption du rayonnement
infrarouge reçu par la zone I de la partie sensible 10
est fonction de la résistance de couche équivalente
dans cette zone I et de la présence ou non d'un
réflecteur en surface du substrat 12. Il est judicieux,
conformément à l'état de l'art, de prévoir un tel
réflecteur pour renvoyer vers la zone sensible
l'énergie qui traverse la zone I de la partie sensible
10. Dans ces conditions on obtient une absorption
voisine de 100 % au voisinage de 10 micromètres de
longueur d'onde, pour un espace voisin de
2.5 micromètres (quart d'onde) entre le réflecteur et
le plan de l'élément sensible, et pour une résistance
de couche voisine de 380 Ω/carré de cette même zone.
L'analyse détaillée de ces effets optiques se trouve
par exemple dans un article de K.C. Liddiard, Infrared
Physics, vol. 34, N° 4, pages 379-387, 1993. Compte
tenu de la résistivité élevée des matériaux usuels en
bolométrie, la résistance de couche équivalente de la
zone I de la partie sensible 10 est égale à celle de la
(ou des) couche(s) conductrice(s) en parallèle qui la
composent. L'épaisseur de cette (ces) couche(s) doit
être minimale (optimisation de Cth de la zone I) et Rth
des zones II, tout en restant technologiquement
pratique, c'est-à-dire contrôlable et reproductible.
Les électrodes en formes de peignes suivant l'invention
jouent ce rôle d'absorbeur infrarouge en une seule
couche, associée avantageusement à un seul niveau
lithographique de définition.In addition the absorption of radiation
infrared received by zone I of
Il convient d'optimiser le dessin des électrodes interdigitées pour obtenir le meilleur rendement optique possible. The design of the interdigitated electrodes to get the best optical performance possible.
La figure 6 illustre une simulation effectuée à partir des équations de Maxwell, de l'absorption relative Ar en fonction du paramètre p/λ (pas de motif/longueur d'onde) d'un motif infini suivant les deux dimensions normales au rayon incident, constitué d'une alternance d'éléments conducteurs de largeur d, espacés de e (p=d+e). Ce calcul est effectué pour un rayonnement incident normal à la surface du bolomètre, dont le champ électrique est parallèle (E//) ou perpendiculaire (E┴) à la grande dimension des éléments conducteurs, comme illustré sur la figure 7.Figure 6 illustrates a simulation made from Maxwell's equations, from the relative absorption Ar as a function of the parameter p / λ (no pattern / wavelength) of an infinite pattern according to the two dimensions normal to the incident ray, consisting of alternating conductive elements width d, spaced from e (p = d + e). This calculation is done for normal incident radiation on the surface of the bolometer, whose electric field is parallel (E //) or perpendicular (E┴) to the large dimension of conductive elements, as illustrated in Figure 7.
Ainsi sur cette figure 7, la simulation suppose d'une part la présence d'un réflecteur situé à λ/4 sous le plan du bolomètre et une valeur optimale de la résistance de couche équivalente du motif métallique Rcarrééq.#380 Ω/carré.Thus in this Figure 7, the simulation assumes one hand the presence of a reflector located at λ / 4 under the plane of the bolometer and an optimum value of the equivalent sheet resistance of the metal pattern Rsquare eq. # 380 Ω / square .
On va, ci-dessous, considérer successivement trois cas possibles :We will, below, consider successively three possible cases:
Le champ électrique du rayonnement incident est parallèle à la grande dimension des motifs (E//).The electric field of the incident radiation is parallel to the large dimension of the patterns (E //).
Lorsque p<<λ, le motif se comporte comme une couche continue de résistance carrée équivalente égale à Rcarrééq. = Kcarrémétal . p/d, et l'absorption est voisine de 100 %.When p << λ, the pattern behaves as a continuous layer of equivalent square resistance equal to Rcarré éq . = Square metal . p / d, and the absorption is close to 100%.
Lorsque p=λ l'absorption vaut encore à peu près 80 %, puis diminue rapidement au-delà par effet de diffraction.When p = λ the absorption is still worth little almost 80%, then rapidly decreases beyond by diffraction.
Le champ électrique du rayonnement incident est perpendiculaire à la grande dimension des motifs (E⊥). The electric field of the incident radiation is perpendicular to the large dimension of the patterns (E⊥).
L'absorption relative est faible pour p<<λ (extinction par effet de polarisation), puis augmente rapidement avec p, lorsque p>λ/2, on obtient Ar>80% ; le maximum d'absorption est atteint à p=λ (effet de résonance dû à la cavité quart-d'onde).Relative absorption is low for p << λ (extinction by polarization effect), then increases quickly with p, when p> λ / 2, we obtain Ar> 80%; the maximum absorption is reached at p = λ (effect of resonance due to the quarter-wave cavity).
L'orientation du champ électrique du rayonnement incident est aléatoire par rapport au motif des électrodes. L'absorption relative moyenne, A moyen, (efficace) adopte une valeur intermédiaire entre les deux premières courbes. Lorsque 0.5λ<p<λ, Ar>90%, l'optimum global efficace est situé vers 8 micromètres de pas pour maximiser l'absorption moyenne d'un rayonnement à 10 µm.The orientation of the electric field of the incident radiation is random with respect to the pattern electrodes. Average relative absorption, A average, (effective) adopts an intermediate value between first two curves. When 0.5λ <p <λ, Ar> 90%, the overall effective optimum is located around 8 micrometers steps to maximize the average absorption of a radiation at 10 µm.
Il suffit donc que le motif des éléments conducteurs soit répété suivant un pas compris typiquement entre λ et λ/2 pour obtenir une absorption moyenne supérieure à 90%. Cependant dans le cas de la détection infrarouge dans la bande atmosphérique 8-12 micromètres, la diminution rapide d'absorption par effet de diffraction lorsque p>λ peut justifier un pas d'éléments : p≤8µm, pour éviter l'effet de coupure des longueurs d'ondes courtes (8 à 10 µm).It is therefore sufficient that the pattern of the elements conductors be repeated following an understood step typically between λ and λ / 2 to obtain an absorption average greater than 90%. However in the case of infrared detection in the atmospheric band 8-12 micrometers, the rapid decrease in absorption by diffraction effect when p> λ can justify a step of elements: p≤8µm, to avoid the cut-off effect of short wavelengths (8 to 10 µm).
Le dessin des électrodes représenté sur la figure 3B, qui est un réseau simple de bandes, au pas compris entre cinq micromètres et huit micromètres est conforme à ce critère pour la détection entre 8 micromètres et 12 micromètres dans une surface sensible de 50µm x 50µm. On peut retenir la solution équilibrée d/e=1, c'est-à-dire des doigts de 2.5 micromètres ; espacés de 2.5 micromètres, jusqu'à des doigts de 4 micromètres espacés de 4 micromètres avec un résultat comparable en termes d'absorption au voisinage de 10 micromètres de longueur d'onde.The drawing of the electrodes represented on the Figure 3B, which is a simple network of bands, in step between five micrometers and eight micrometers is complies with this criterion for detection between 8 micrometers and 12 micrometers in a sensitive surface of 50µm x 50µm. We can retain the balanced solution d / e = 1, that is to say fingers of 2.5 micrometers; 2.5 micrometers apart, up to 4 fingers micrometers spaced 4 micrometers apart with a result comparable in terms of absorption around 10 wavelength micrometers.
La résistance équivalente pour des électrodes dessinées au pas de 5 micromètres avec p/d=1 vaut environ Rcarrébolo/200 quelle que soit la forme des interdigitations, Rcarrébolo étant la résistance de couche du matériau bolométrique. En particulier on obtient une valeur comparable, aux effets de pointe près, pour le dessin en forme de "poteau télégraphique" de la figure 4A. Un tel dessin ne présente pas davantage d'effet de polarisation.The equivalent resistance for electrodes drawn in steps of 5 micrometers with p / d = 1 is approximately Rcarré bolo / 200 whatever the form of the interdigitations, Rcarré bolo being the layer resistance of the bolometric material. In particular, a comparable value is obtained, apart from peak effects, for the drawing in the form of a "telegraph pole" in FIG. 4A. Such a design does not exhibit any more polarization effect.
Dans un but d'exploitation optimum du concept proposé, dans le détecteur de l'invention, d'électrodes coplanaires rapprochées, on peut typiquement descendre l'espace inter-électrodes vers 1 micromètre sans être gêné par la non-linéarité de la caractéristique courant/tension, jusqu'à quelques volts de polarisation (Vpol). Cependant la figure 6 montre qu'il est important d'éviter les motifs qui présentent un pas petit devant la longueur d'onde selon une direction seulement, car il en résulte un effet de polarisation.In order to optimize the use of the concept proposed, in the detector of the invention, of close coplanar electrodes, we can typically lower the inter-electrode space towards 1 micrometer without being bothered by the non-linearity of the current / voltage characteristic, up to a few volts polarization (Vpol). However Figure 6 shows that it is important to avoid the reasons which present a small step in front of the wavelength according to a direction only, as this results in a polarization.
La figure 4B présente un exemple de
réalisation "d'électrodes en poteau télégraphique"
conforme à ce critère, autorisant des pas de l'ordre de
2 micromètres ou moins, sans effet préjudiciable de
polarisation. Dans une direction horizontale sur le
schéma on réalise des "collecteurs" avec un pas p1
voisin ou un peu inférieur à λ de manière à assurer
l'absorption des photons infrarouges à polarisation
"horizontale", par rapport au dessin. Dans l'autre
direction on peut avoir un pas p2 nettement plus petit,
assurant l'absorption des photons infrarouges à
polarisation "verticale". La résistance résultante Ro
d'un bolomètre de 50 µm × 50 µm pour un pas p1 de 2
micromètres avec p1/d #1 entre les électrodes est de
l'ordre de Rcarrébolo/400 à 500. Des matériaux à TCR
encore plus élevés sont alors utilisables à résistance
R0 donnée.FIG. 4B presents an exemplary embodiment of "electrodes in a telegraph pole" conforming to this criterion, allowing steps of the order of 2 micrometers or less, without detrimental polarization effect. In a horizontal direction on the diagram, "collectors" are produced with a pitch p1 close to or slightly less than λ so as to ensure the absorption of infrared photons with "horizontal" polarization, relative to the drawing. In the other direction we can have a noticeably smaller step p2, ensuring the absorption of infrared photons with "vertical" polarization. The resulting resistance Ro of a bolometer of 50 µm × 50 µm for a pitch p1 of 2 micrometers with p1 /
Il convient en principe d'observer le même rapport d/e selon les deux directions si l'électrode est obtenue en une seule opération (une seule couche conductrice). Cependant l'affaiblissement de l'absorption lorsque Rcarrééq. s'éloigne de la valeur optimale d'environ 380 Ω/carré est lent et on peut dans la pratique tolérer +/-40% de variation sans perdre plus de 10% sur l'absorption. Il est donc facile d'ajuster la répartition des zones conductrices et des espaces pour satisfaire au mieux les critères précités.In principle, the same d / e ratio should be observed in both directions if the electrode is obtained in a single operation (a single conductive layer). However, the weakening of the absorption when Rcarré eq. deviates from the optimal value of around 380 Ω / square is slow and in practice we can tolerate +/- 40% variation without losing more than 10% on absorption. It is therefore easy to adjust the distribution of conductive areas and spaces to best meet the above criteria.
Les figures 5A et 5B représentent des
exemples de deuxième mode de réalisation des éléments
conducteurs de la partie sensible du détecteur. Ces
éléments sont définis suivant une pluralité de motifs
disjoints dont au moins deux sont connectés au circuit
de lecture et constituent à proprement parler les
électrodes 13 et 13', les autres motifs 13" n'étant
pas connectés. Sur la figure 5A les motifs 13'' sont
des conducteurs rectilignes, dans cet exemple au nombre
de huit, parallèles entre eux et parallèles aux
électrodes 13 et 13'. Ces motifs sont séparés d'un pas
p tel que : λ/2 < p < λ. Dans l'exemple de la figure 5B
les électrodes 13 et 13' ont la forme d'un « U », dans
lesquelles sont disposés les motifs 13" qui sont
également des conducteurs rectilignes, parallèles aux
deux branches extérieures du « U », l'espacement p
entre ces conducteurs étant également : λ/2 < p < λ.
Ainsi les électrodes 13 et 13' assurent comme dans le
premier mode de réalisation la double fonction
d'électrodes et d'absorbeur tandis que les éléments
13'' n'ont que la fonction d'absorbeur. Ainsi toutes
les caractéristiques concernant l'absorption des
éléments conducteurs décrite précédemment s'applique
également à ce mode de réalisation.Figures 5A and 5B show
examples of second embodiment of the elements
conductors of the sensitive part of the detector. These
elements are defined according to a plurality of patterns
at least two of which are connected to the circuit
of reading and constitute strictly speaking the
Ce deuxième mode de réalisation permet une plus grande souplesse d'ajustement de la résistance Ro du fait de la possibilité de connecter aux circuits de lecture deux éléments très éloignés comme dans la figure 5A ou très rapprochés comme dans le cas de la figure 5B. Ceci permet une optimisation du couplage avec le circuit de lecture.This second embodiment allows a greater flexibility in adjusting the Ro resistance due to the possibility of connecting to the circuits of reading two very distant elements as in the Figure 5A or very close together as in the case of Figure 5B. This allows optimization of the coupling with the reading circuit.
Ainsi, selon ce deuxième mode de réalisation représenté par la figure 5A, il est possible de mettre en oeuvre dans des conditions optimales des matériaux relativement peu résistifs, tel par exemple le dioxyde de vanadium VO2, tout en conservant les avantages de simplicité technologique et d'immunité aux défauts des matériaux constituant le dispositif propre à l'invention. En effet il est nécessaire de viser une résistance Ro élevée (quelques MΩ typiquement) afin de limiter l'échauffement du détecteur sous l'effet des stimulis de lecture par effet Joule, et plus simplement la consommation globale du dispositif en fonctionnement.Thus, according to this second embodiment represented by FIG. 5A, it is possible to use, under optimal conditions, relatively weak resistive materials, such as for example vanadium dioxide VO 2 , while retaining the advantages of technological simplicity and immunity to defects of the materials constituting the device specific to the invention. In fact, it is necessary to aim for a high resistance Ro (typically a few MΩ) in order to limit the heating of the detector under the effect of stimuli of reading by the Joule effect, and more simply the overall consumption of the device in operation.
La figure 5B et les variantes diverses que
l'homme de l'art en déduira, permet de réaliser des
résistances de valeurs intermédiaires suivant les
objectifs d'optimisation envisagés. Les motifs non
connectés s'équilibrent naturellement en fonctionnement
à des potentiels intermédiaires entre les potentiels
des électrodes connectées 13 et 13' (sans perturber les
caractéristiques du détecteur) suivant le principe du
pont diviseur.Figure 5B and the various variants that
a person skilled in the art will deduce therefrom, makes it possible to carry out
resistances of intermediate values according to
envisaged optimization objectives. The grounds no
connected balance naturally during operation
to potentials intermediate between the potentials
connected
Ainsi, le fait de réaliser, suivant l'invention, les fonctions absorbeur infrarouge et électrodes du matériau sensible en température à l'aide d'une seule couche conductrice, simplifie notablement le processus technologique d'une part, car un seul niveau lithographique, associé à une seule opération de gravure, est nécessaire. D'autre part une résistance de couche proche de 380 Ω/carré est obtenue avec une épaisseur plus importante de matériau conducteur, sans augmentation de la masse totale, ce qui améliore la praticité du procédé de dépôt. En effet si l'absorbeur est réalisé à l'aide de deux couches continues en parallèle, suivant une possibilité de l'art antérieur, ces deux couches doivent présenter une résistance d'environ 750 Ω/carré, ce qui nécessite des épaisseurs difficilement contrôlables avec des matériaux métalliques même relativement résistifs comme le nitrure de titane : on obtient 15 à 40 Angstrom typiquement par couche, en admettant une résistivité de 100 à 300 µΩcm, qui sont des valeurs typiques fonction du procédé de dépôt. De même suivant une autre version de l'art antérieur, qui nécessite une seule couche continue, il faut une épaisseur double (30 à 80A dans le cas du nitrure de titane), ce qui n'est pas très pratique dans la plupart des cas. Selon la solution proposée dans l'invention, il est nécessaire de déposer une épaisseur proche de (ρ/380).(p/d), c'est-à-dire de 60 à 160 Angström pour d=p/2, ou encore de 90 à 240 Angström pour d=p/3. Ces épaisseurs sont raisonnablement aisées à réaliser et contrôler, les valeurs p/d proposées étant à considérer comme typiques.So the fact of following the invention, the infrared absorber functions and electrodes of temperature sensitive material using single conductive layer, significantly simplifies the technological process on the one hand, because only one lithographic level, associated with a single operation of engraving is required. On the other hand a resistance of layer close to 380 Ω / square is obtained with a greater thickness of conductive material, without increase in total mass, which improves the practicality of the deposition process. Indeed if the absorber is made using two continuous layers in parallel, according to a possibility of the prior art, these two layers must have resistance about 750 Ω / square, which requires thicknesses difficult to control with materials even relatively resistive metallic like the titanium nitride: 15 to 40 Angstrom are obtained typically per layer, assuming a resistivity of 100 to 300 µΩcm, which are typical function values of the deposition process. Similarly according to another version of the prior art, which requires a single layer continuous, double thickness is required (30 to 80A in the case of titanium nitride), which is not very practical in most cases. Depending on the solution proposed in the invention, it is necessary to file a thickness close to (ρ / 380). (p / d), i.e. 60 to 160 Angström for d = p / 2, or 90 to 240 Angström for d = p / 3. These thicknesses are reasonably easy to perform and control, proposed p / d values to be considered as typical.
L'homme de l'art note aussi l'avantage des structures à électrodes coplanaires au niveau de l'immunité aux courts-circuits entre les deux électrodes. En effet les défauts ponctuels d'intégrité de la couche thermosensible ("pinholes") n'ont aucune conséquence dans une telle disposition. De plus, la présence d'une couche conductrice continue isolée électriquement du matériau thermosensible suivant certaines formes de l'art antérieur, rend sensible également le rendement de fabrication à la densité de défauts de cette couche d'isolement. Or cette couche d'isolement est inutile suivant l'invention. La configuration proposée dans l'invention est donc intrinsèquement robuste par rapport aux défauts des matériaux mis en oeuvre.Those skilled in the art also note the advantage of coplanar electrode structures at immunity to short circuits between the two electrodes. Indeed, point integrity faults of the heat-sensitive layer ("pinholes") have no consequence in such a provision. In addition, the presence of an insulated continuous conductive layer electrically of the following heat-sensitive material certain forms of the prior art, makes sensitive also the manufacturing yield at the density of defects in this insulation layer. Now this layer isolation is unnecessary according to the invention. The configuration proposed in the invention is therefore intrinsically robust against the faults of materials used.
L'homme de l'art notera également l'avantage particulier offert par les formes de l'invention telles que représentées par la figure 5A au niveau de l'immunité aux court-circuits entre électrodes. En effet un défaut aléatoire au niveau de la lithographie des zones conductrices mettra en général en court-circuit deux éléments flottants, sans court-circuiter les deux électrodes connectées. Il en résulte une modification de résistance Ro, mais le point élémentaire restera en général opérationnel.Those skilled in the art will also note the particular advantage offered by the forms of the invention as shown in FIG. 5A at level of immunity to short circuits between electrodes. Indeed a random defect at the level of the lithography of the conductive areas will highlight general short circuit two floating elements, without short-circuit the two connected electrodes. It results in a change in resistance Ro, but the elementary point will generally remain operational.
Les zones II ont deux rôles principaux :
- supporter mécaniquement le corps du dispositif flottant 10 au-dessus du circuit de lecture ;
- connecter électriquement les électrodes réalisées dans la zone I jusqu'aux terminaux métalliques du circuit de lecture, solidaires du substrat 12.
- mechanically supporting the body of the floating
device 10 above the reading circuit; - electrically connect the electrodes produced in zone I to the metal terminals of the reading circuit, integral with the
substrate 12.
Conformément à l'état de l'art, ces bras de support/isolation peuvent être avantageusement découpés dans l'assemblage de couches formant la partie centrale I, suivant un motif de longueur L et de largeur l. L'épaisseur est par construction identique à celle de la zone I. La longueur de ces motifs doit être maximum, la largeur et l'épaisseur minimum afin de maximiser Rth. In accordance with the state of the art, these arms of support / insulation can be advantageously cut in the assembly of layers forming the central part I, following a pattern of length L and width l. The thickness is by construction identical to that of zone I. The length of these patterns must be maximum, minimum width and thickness to maximize Rth.
Cependant pour des raisons de rigidité mécanique, et surtout de déformations géométriques (dues à la libération des contraintes internes des différents matériaux constitutifs lorsque les structures sont libérées), on doit trouver un compromis raisonnable. En effet, il est nécessaire de contrôler l'espace entre le corps du bolomètre et le réflecteur pour bénéficier de l'effet quart-d'onde sur toute la surface du détecteur, et la moindre déformation des bras supports entraíne une variation de cet espace. Une découpe latérale de longueur L égale à un ou deux côtés d'un point élémentaire ou pixel représente un maximum au niveau mécanique, soit de 40 à 80 micromètres utiles pour un pixel de 50µm × 50µm. La largeur est typiquement de 1 à 3 micromètres. La figure 14 présente le dessin le plus aisé d'un pixel comportant deux bras d'isolement découpés suivant deux arêtes opposées. Chaque bras dans la version la plus simple se compose d'une couche conductrice et d'une couche de matériau sensible.However for reasons of rigidity mechanical, and especially geometric deformations (due to the release of internal constraints from different constituent materials when the structures are freed), we have to find a compromise reasonable. Indeed, it is necessary to control the space between the bolometer body and the reflector to benefit from the quarter-wave effect over the entire detector surface, and the slightest deformation of support arms causes a variation of this space. A lateral cutout of length L equal to one or two sides of an elementary point or pixel represents a maximum at the mechanical level, i.e. from 40 to 80 useful micrometers for a pixel of 50µm × 50µm. The width is typically from 1 to 3 micrometers. Figure 14 shows the easiest drawing of a pixel with two arms of insulation cut along two opposite edges. Each arm in the simplest version consists a conductive layer and a layer of material sensitive.
Les zones III, conformément à l'état de l'art, ont trois rôles principaux :
- supporter mécaniquement l'ensemble I+II ;
- connecter les zones II aux entrées électriques du circuit de lecture ;
- positionner en altitude l'ensemble du dispositif.
- mechanically support the assembly I + II;
- connect zones II to the electrical inputs of the read circuit;
- position the entire device at altitude.
Suivant le mode préféré de réalisation, ces zones sont réalisés à l'aide de piliers d'encombrement réduit, ce qui nécessite simplement une ouverture dans la zone III. Le contact entre les électrodes conductrices 13 et 13', qui s'étend jusque sur la zone III est assuré essentiellement par un dépôt métallique, réalisé de préférence par LPCVD, typiquement de tungstène, mais d'autres matériaux déposés par LPCVD sont utilisables, tel le titane.According to the preferred embodiment, these zones are made using space pillars reduced, which simply requires opening in zone III. Contact between the electrodes conductive 13 and 13 ', which extends to the area III is mainly provided by a metallic deposit, preferably performed by LPCVD, typically from tungsten, but other materials deposited by LPCVD can be used, such as titanium.
Les figures 11 et 12 représentent des cas de piliers de connexion suivant le mode de réalisation préféré utilisant un dépôt LPCVD. D'autres modes de réalisation sont possibles, par exemple un dépôt métallique par pulvérisation, mais dans ce cas il est nécessaire de prévoir des connexions de grand diamètre (plusieurs micromètres), présentant des flancs pentus. Il en résulte une perte de place plus importante (diminution du facteur de remplissage). Le corps du pilier est typiquement constitué de plusieurs couches destinées à réaliser les diverses fonctions de détail de la connexion, tel qu'explicité ci-dessous.Figures 11 and 12 show cases of connection pillars according to the embodiment preferred using an LPCVD repository. Other modes of possible, for example a deposit metallic by spraying, but in this case it is necessary to provide large diameter connections (several micrometers), with steep sides. This results in a greater loss of space (decrease in the filling factor). The body of the pillar typically consists of several layers for performing the various retail functions of the connection, as explained below.
La configuration la plus intéressante
consiste à réaliser le pilier par dépôt LPCVD d'un seul
matériau suffisamment conducteur (métal réfractaire
typiquement tel que titane) pour assurer simultanément
toutes les contraintes technologiques du contact
électrique entre l'électrode 13 et le plot métallique
solidaire du substrat. Compte tenu de la résistance
très élevée du bolomètre lui-même (typiquement 1MΩ à
100MΩ), il n'est pas nécessaire de prévoir des contacts
de très faible résistance propre (Rc). Ainsi le titane
ou le nitrure de titane par exemple sont directement
adaptés à une telle réalisation car ils présentent les
qualités requises par rapport aux autres contraintes
d'assemblage technologique. La description détaillée
qui suit suppose la mise en oeuvre (traditionnelle) de
deux couches métalliques : titane, tungstène.The most interesting configuration
consists of making the pillar by depositing LPCVD with a single
sufficiently conductive material (refractory metal
typically such as titanium) to simultaneously ensure
all technological constraints of contact
between the
La hauteur du pilier définit l'espacement entre la partie sensible et le circuit sous-jacent. Cet espacement est conformément à l'état de l'art voisin de λ/4 pour centrer le maximum d'absorption au voisinage de λ si la surface du circuit est pourvue d'un réflecteur infrarouge.The height of the pillar defines the spacing between the sensitive part and the underlying circuit. This spacing is in accordance with the state of the art close to λ / 4 to center the maximum absorption in the vicinity of λ if the surface of the circuit is provided with a infrared reflector.
Le procédé de fabrication du détecteur de
type microbolomètre suivant l'invention se réalise
typiquement à partir d'un circuit de lecture déjà
achevé, obtenu lui-même suivant les techniques connues
par exemple de la micro-électronique sur substrat de
silicium S. Les éléments apparaissant en surface d'un
tel circuit sont généralement à la fois les plots
métalliques périphériques de montage (non représentés)
pour l'intégration du produit final en boítier sous
vide, et les plots de liaison 20 de chaque point
élémentaire du dispositif de détection vers les points
correspondants du circuit de lecture. Ces plots 20,
comme les plots de montage, sont réservés ordinairement
au niveau du dernier niveau d'interconnexion métallique
du circuit de lecture. Une telle couche métallique est
ordinairement passivée à l'aide d'une couche isolante
minérale. Cette couche minérale est gravée sur une
partie de la surface des plots 20, ainsi que des plots
de montage. Le procédé de fabrication du détecteur de
l'invention s'entend donc à partir de la structure
ainsi réalisée.The manufacturing process of the
microbolometer type according to the invention is carried out
typically from a read circuit already
completed, obtained itself according to known techniques
for example microelectronics on substrate of
silicon S. The elements appearing on the surface of a
such circuit are generally both the studs
metallic mounting devices (not shown)
for the integration of the final product in a box
empty, and the
Les étapes non détaillées de l'enchaínement suivant font appel à des techniques éprouvées bien connues de l'homme de l'art.The non-detailed steps of the sequence following use well proven techniques known to those skilled in the art.
Les étapes du procédé d'un exemple de fabrication s'ordonnent suivant la séquence suivante :The process steps of an example of manufacturing are organized according to the following sequence:
(Il est à noter que sur les vues de dessus
décrites ci-dessous, les traits pleins correspondent
aux contours du niveau lithographique considéré tandis
que les traits pointillés représentent un ou plusieurs
niveaux antérieurs).
Dans la pratique il est nécessaire de réaliser le test ou tri de fonctionnalité et surtout la découpe des composants avant de libérer les structures, pour des raisons de fragilité et de contamination pendant ces différentes étapes. Après libération, les dispositifs sont montés sous vide en enceinte, régulable en température, comportant les éléments optiques nécessaires.In practice it is necessary to perform the functionality test or sort and especially the cutting of the components before releasing the structures, for reasons of fragility and contamination during these different stages. After release, devices are vacuum mounted in an enclosure, temperature-adjustable, comprising the elements optics required.
On va à présent considérer successivement plusieurs variantes du dispositif de l'invention.We will now consider successively several variants of the device of the invention.
Le nitrure de titane et le silicium amorphe présentent usuellement un niveau de contraintes internes élevé. La disposition la plus simple proposée en deux couches superposées (configuration dite "préférée") peut conduire à des déformations importantes, après l'étape de libération, par effet "bilame".Titanium nitride and amorphous silicon usually have a level of constraints high internal. The simplest layout offered in two superimposed layers (configuration called "preferred") can lead to deformations important, after the release stage, by effect "bimetallic strip".
Il est dans ce cas avantageux de compenser cet effet en disposant judicieusement des couches adéquates de part et d'autre des éléments conducteurs. Ainsi, comme précisé précédemment, on peut déposer le matériau sensible de part et d'autre des éléments conducteurs ; on peut aussi déposer sur une face des éléments conducteurs le matériau sensible et sur l'autre face une couche de matériau passif. Enfin, on peut aussi déposer sur la (ou les) face(s) du matériau sensible non en contact avec les éléments conducteurs une couche de matériau passif.It is in this case advantageous to compensate this effect by judiciously arranging layers adequate on both sides of the conductive elements. Thus, as explained above, we can file the sensitive material on both sides of the elements conductors; we can also deposit on one side conductive elements the sensitive material and on the other side a layer of passive material. Finally, we can also deposit on the face (s) of the material sensitive not in contact with conductive elements a layer of passive material.
Le matériau dit passif est de préférence un matériau à faible conductivité thermique car ces couches se retrouvent également dans les bras d'isolement. On utilise donc de manière préférentielle de l'oxyde de silicium (SiO), du nitrure de silicium (SiN) ou encore de silicium amorphe déposé suivant les méthodes traditionnelles.The so-called passive material is preferably a material with low thermal conductivity because these diapers are also found in the arms of isolation. So we preferentially use silicon oxide (SiO), silicon nitride (SiN) or of amorphous silicon deposited according to the traditional methods.
On peut ainsi sans compliquer notablement
le procédé déposer par exemple une couche 30 de 100 à
200 Angström d'oxyde de silicium ou de nitrure de
silicium ou encore de silicium amorphe en surface du
polyimide, avant dépôt de l'électrode de nitrure de
titane, ou/et une couche 31 identique après dépôt du
matériau sensible. Ces deux couches sont gravées avec
les autres lors de la douzième étape.We can thus without significantly complicating
the process deposit for example a
La configuration préférée est un empilement symétrique qui stabilise efficacement la structure, conformément à la figure 15. Un avantage associé à cette disposition est l'effet de passivation électrique des surfaces non métallisées de matériau sensible ou non en regard des électrodes.The preferred configuration is a stack symmetrical which effectively stabilizes the structure, as shown in Figure 15. An advantage associated with this arrangement is the effect of electrical passivation non-metallized surfaces of sensitive material or not opposite the electrodes.
La masse supplémentaire peut simplement être compensée par une diminution équivalente de la couche de matériau sensible par exemple en silicium amorphe. En effet, les densités et capacités calorifiques intrinsèques du nitrure de silicium, de l'oxyde de silicium et du silicium amorphe ne sont pas très différentes, pas plus que leurs conductibilités thermiques respectives.The additional mass can simply be offset by an equivalent decrease in the layer of sensitive material, for example silicon amorphous. Indeed, the densities and capacities intrinsic calories from silicon nitride, silicon oxide and amorphous silicon are not very different, no more than their conductivities respective thermal.
Une autre configuration avantageuse est réalisable, toujours dans le but d'améliorer la stabilité mécanique des structures libérées, et éventuellement la stabilité électrique des bolomètres. Elle consiste en une répartition symétrique des couches actives (et éventuellement passives) de part et d'autre de l'électrode de nitrure de titane, conformément à la figure 16.Another advantageous configuration is achievable, always with the aim of improving the mechanical stability of the released structures, and possibly the electrical stability of the bolometers. It consists of a symmetrical distribution of the layers active (and possibly passive) on both sides of the titanium nitride electrode, in accordance with the figure 16.
Il suffit de déposer dans le cas le plus
sophistiqué où on passive les surfaces du silicium
amorphe en surface du polyimide (entre la première
étape et la seconde étape) par exemple une couche 32 de
100 à 200 Angström de nitrure de silicium, puis une
couche de 300 à 400 Angström de silicium amorphe
faiblement dopé. Lors de la onzième étape on répète
cette séquence, mais inversée, c'est-à-dire 300 à 400
Angström de silicium faiblement dopé (34), puis 100 à
200 Angström de nitrure de silicium (35). Just file in the most case
sophisticated where we pass the silicon surfaces
amorphous on the surface of the polyimide (between the first
step and the second step) for example a
Toutes les couches empilées sont alors gravées lors de la douzième étape, comme précédemment. La masse totale est semblable à l'empilement de référence, mais la structure est particulièrement stable par construction, car parfaitement symétrique. De plus l'électrode de nitrure de titane centrale réalise le contact du silicium amorphe sur ses deux faces, ce qui va dans le sens de l'amélioration de l'injection du courant traversant la structure.All the stacked layers are then engraved during the twelfth stage, as before. The total mass is similar to the stack of reference, but the structure is particularly stable by construction, because perfectly symmetrical. Additionally the central titanium nitride electrode makes contact of amorphous silicon on its two faces, which goes in the direction of improving injecting current through the structure.
Les figures 8 à 16, qui illustrent le procédé de l'invention représentent des vues en coupe de la structure réalisée, ainsi que des vues des niveaux lithographiques, aux différentes étapes dudit procédé ou des variantes de celui-ci.Figures 8 to 16, which illustrate the process of the invention represent sectional views of the structure produced, as well as views of lithographic levels, at the different stages of said process or variants thereof.
La figure 8A illustre une coupe AA'
représentée sur la figure 8B après définition du
réflecteur 21.FIG. 8A illustrates a section AA '
represented in FIG. 8B after definition of the
La figure 9A illustre une coupe AA'
représentée sur la figure 9B après définition des
ouvertures de connexion 30.FIG. 9A illustrates a section AA '
represented in FIG. 9B after definition of the
La figure 10 illustre une coupe AA' après dépôt de métallisation d'interconnexion.Figure 10 illustrates a section AA 'after interconnection metallization deposit.
La figure 11A illustre une coupe AA'
illustrée sur la figure 11B après définition de
l'interconnexion métallique ; des réservations
métalliques 31 étant représentées sur la figure 11B.FIG. 11A illustrates a section AA '
illustrated in FIG. 11B after definition of
metallic interconnection;
La figure 12A illustre une coupe AA'
illustrée sur la figure 12B après définition des
électrodes avec une épaisseur de tungstène plus
importante (configuration "plug"); la référence 32 sur
la figure 12B illustrant un motif ouvert (zone gravée).FIG. 12A illustrates a section AA ′
illustrated in FIG. 12B after definition of the
electrodes with a tungsten thickness more
important ("plug" configuration); the
La figure 13 illustre une coupe AA' après dépôt du matériau bolométrique.Figure 13 illustrates a section AA 'after deposit of bolometric material.
La figure 14A illustre une coupe AA' représentée sur la figure 14B après réticulation. FIG. 14A illustrates a section AA ' shown in Figure 14B after crosslinking.
La figure 15 illustre une coupe AA' d'une structure passivée (première variante).FIG. 15 illustrates a section AA ′ of a passivated structure (first variant).
La figure 16 illustre une structure passivée symétrique (seconde variante).Figure 16 illustrates a structure passivated symmetrical (second variant).
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